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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zündvorrichtung, die vorwiegend in einer Verbrennungskraftmaschine verwendet wird.
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STAND DER TECHNIK
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In den letzten Jahren wurden Themen wie Umweltschutz und die Abnahme der Kraftstoffreserven angesprochen; Maßnahmen für diese Themen werden auch in der Automobilindustrie dringend benötigt. Die Maßnahmen umfassen als ein Beispiel einen sehr mageren Verbrennungsbetrieb (auch als geschichtete, magere Verbrennung bezeichnet) einer Verbrennungskraftmaschine, die ein geschichtetes Luft-Kraftstoff-Gemisch verwendet. Bei der geschichteten, mageren Verbrennung kann die Verteilung der entflammbaren Kraftstoff-Luft-Gemische variieren; daher wird eine Zündvorrichtung, die in der Lage ist diese Variation zu absorbieren, benötigt.
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Eine bekannte Zündvorrichtung, die in
JP 2010 96128 A offenbart ist, ist mit einer Zündkerze, die eine Funkenentladung in einer Brennkammer erzeugt, und mit einer Mikrowellenerzeugungsvorrichtung, die Energie an die Funkenentladung bereitstellt, die in der Zündkerze erzeugt wird, versehen. Es wird behauptet, dass, da die bekannte Zündvorrichtung es ermöglicht ein größeres Entladungsplasma auszubilden, eine größere Anzahl an räumlichen Entladungsmöglichkeiten vorgesehen werden kann, die Variationen bei der Verteilung der Kraftstoff-Luft-Gemische absorbiert werden kann und die vorgenannte Anforderung an geschichtete, magere Verbrennung erfüllt wird.
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Die bekannte Zündvorrichtung, die in
JP 2010 96128 A offenbart ist, kann ein Löschen verhindern und kann die Variation in dem zu erzeugenden Drehmoment unterdrücken, da sie ein großes Entladungsplasma erzeugen kann; jedoch, da eine Bahn zum Einführen einer Mikrowelle zusätzlich zu einer Zündkerze benötigt wird, ist es schwierig die Zündvorrichtung, die in
JP 2010 96128 A offenbart ist, bei einem bereits bestehenden Motor anzuwenden. Es gab bisher ein Problem, dass es betreffend die Übereinstimmung von Impedanz, Technologie und Produkt sehr schwierig ist, stabil eine hochfrequente Leistung, wie beispielsweise eine Mikrowelle, in einer extrem unstabile Brennkammer, in welcher ein Kolben sich hin und her bewegt, eine große Druckveränderung wiederkehrend erwirkt wird und die Erzeugung und Auslöschung von Plasma durch Entladung und Verdichtung wiederholt werden, bereitzustellen.
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Ferner ist das Dokument
DE 102 31 55 A1 bekannt, das eine Zündspulenvorrichtung für eine Zündanlage einer Brennmaschine betrifft. Diese umfasst eine erste Transformatoreinrichtung zum Erzeugen einer Zündspannung und eine Brennstromversorgungseinrichtung zum Erzeugen eines Brennstroms für eine Zündkerze. Die Brennstromversorgungseinrichtung weist eine zweite Transformatoreinrichtung auf.
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Als weiteres Dokument ist die
US 2010/0206277 A1 bekannt, die eine Plasmazündvorrichtung betrifft.
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Ferner ist die
EP 2 325 476 A1 zu nennen, welche auf ein gekoppeltes Zündsystem mit einer intelligenten Steuereinrichtung gerichtet ist.
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Die
DE 11 2012 000 570 T5 , ein nachveröffentlichtes Dokument, betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Funkenzündung in einem funkengezündeten Verbrennungsmotor.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung wurde umgesetzt, um die vorgenannten Probleme bei diesen bekannten Systemen zu lösen und es ist eine Aufgabe der Erfindung eine Zündvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die einfach aufgebaut ist und in der Lage ist ein großes Entladungsplasma auszubilden.
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Die Zündvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine Zündkerze, die mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode versehen ist, die aufeinander durch bzw. über einen Spalt zeigen und erzeugt eine Funkenentladung in dem Spalt, so dass ein entflammbares Kraftstoff-Luft-Gemisch in der Brennkammer der Verbrennungskraftmaschine entzündet wird; eine erste Spuleneinrichtung, die eine vorgegebene Hochspannung erzeugt und die erzeugte Hochspannung der ersten Elektrode bereitstellt, um eine Bahn der Funkenentladung in dem Spalt auszubilden; und eine zweite Spuleneinrichtung, die einen Strom an die Funkentladungsbahn, die in dem Spalt ausgebildet ist, bereitstellt.
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Ferner zeichnet sich die erfindungsgemäße Zündvorrichtung dadurch aus, dass die erste Spuleneinrichtung eine Primärspule und eine Sekundärspule umfasst, die magnetisch miteinander gekoppelt sind, wobei die zweite Spuleneinrichtung eine Primärspule und eine Sekundärspule umfasst, die magnetisch miteinander gekoppelt sind, und wobei die Sekundärspule der ersten Spuleneinrichtung die vorgegebene Hochspannung an die erste Elektrode der Zündkerze mittels der Sekundärspule der zweiten Spuleneinrichtung bereitstellt.
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Da ein großer AC-Strom (Wechselstrom) in einem kurzen Zyklus in dem Raum zwischen den Elektroden der Zündkerze bereitgestellt werden kann, wird es mit einer Zündvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht, dass ein großes Entladungsplasma mit einer einfachen Konfiguration erzeugt werden kann und folglich eine magere Verbrennung stabil umgesetzt werden kann; daher kann der Kraftstoff, der für den Betrieb der Verbrennungskraftmaschine benötigt wird, drastisch reduziert werden, wodurch der Kohlenstoffausstoß stark verringert werden kann und folglich kann die Zündvorrichtung zur Umwelterhaltung beitragen.
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Das vorgenannte und andere Aufgaben, Eigenschaften, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der vorliegenden Erfindung ersichtlicher, wenn diese gemeinsam bzw. in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist ein Aufbaudiagramm einer Zündvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung;
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2 ist ein Zeitablaufdiagramm zum Erklären des Betriebs einer Zündvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung; und
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3 ist ein Aufbaudiagramm einer Zündvorrichtung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Ausführungsform 1
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1 ist ein Aufbaudiagramm einer Zündvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung. In 1 umfasst eine Zündvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung eine Zündkerze 101, die eine zentrale Elektrode 101a, als einer ersten Elektrode, und eine GND-Elektrode 101b (Masseelektrode), als einer zweiten Elektrode, die aufeinander über einen Kerzenspalt zeigen, welches ein vorgegebener Spalt ist, aufweist; eine Hochspannungsbereitstellspule 102, als einer ersten Spuleneinrichtung, die eine Primärspule 102a und eine Sekundärspule 102b, die magnetisch miteinander über einen Eisenkern 102c gekoppelt sind, aufweist; eine Strombereitstellspule 103 als einer zweiten Spuleneinrichtung die eine Primärspule 103a und eine Sekundärspule 103b aufweist, die magnetisch miteinander über einen Eisenkern 103c gekoppelt sind; eine erste Schalteinrichtung 104, die in Reihe mit der Primärspule 102a der Hochspannungsbereitstellspule 102 verbunden ist; und eine zweite Schalteinrichtung 105, die in Reihe mit der Primärspule 103a der Strombereitstellspule 103 verbunden ist. In Ausführungsform 1 ist sowohl die erste Schalteinrichtung 104 als auch die zweite Schalteinrichtung 105 mit einem IGBT versehen, welcher eine Transistoreinrichtung ist.
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Die Sekundärspule 102b der Hochspannungsbereitstellspule 102 und die Sekundärspule 103b der Strombereitstellspule 103 sind in Reihe miteinander über die Zündkerze 101 und die Masse (engl.: ground potential; im Folgenden als GND bezeichnet) des Fahrzeugs verbunden. Die Zündkerze 101 ist in einer Brennkammer des Motors angeordnet. Die Hochspannungsbereitstellspule 102 stellt eine vorgegebene Hochspannung an die zentralen Elektrode 101a der Zündkerze 101 bereit, erwirkt einen dielektrischen Durchschlag in dem Kerzenspalt zwischen der zentralen Elektrode 101a und der GND-Elektrode 101b und bildet eine Funkenentladungsbahn in dem Kerzenspalt aus. Die Strombereitstellspule 103 stellt, wie später beschrieben wird, einen großen Strom der vorgenannten Funkenentladungsbahn, die in dem Kerzenspalt der Zündkerze ausgebildet wird, zur Verfügung.
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Die Strombereitstellspule 103 kann nicht nur solch eine Hochspannung erzeugen, die einen dielektrischen Durchschlag in dem Kerzenspalt der Zündkerze 101 erzeugt; jedoch kann die Strombereitstellspule 103 einen extrem großen Induktionsstrom von beispielsweise ungefähr 1 [A] bis 10 [A] zum Fließen bringen. Im Allgemeinen umfasst eine Zündkerze einen Widerstandskörper von ungefähr 5 [kΩ]; da, wie oben beschrieben wurde, wenn ein Induktionsstrom von ungefähr einigen Ampere dazu gebracht wird in der Zündkerze 101 zu fließen, viel Energie durch Erwärmen verschwendet wird, wenn die Widerstandskomponente der Strombahn groß ist. Demgemäß ist es wünschenswert eine Zündkerze mit einem kleinen Widerstandswert von beispielsweise 300 [Ω] oder weniger für die Strombahn der Zündkerze 101 exkludierend den Spalt zwischen den Elektroden auszuwählen.
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Die erste Schalteinrichtung 104 ist schaltgesteuert basierend auf einem Steuersignal Sv aus einem Motorsteuergerät (nicht dargestellt und im Folgenden als MSG bzw. ECU bezeichnet), um den Primärstrom zu steuern, der von eine Leistungsquelle 100 zu der Primärspule 102a der Hochspannungsbereitstellspule 102 fließt, so dass eine vorgegebene Hochspannung über der sekundären Spule 102b erzeugt wird. Die zweite Schalteinrichtung 105 ist schaltgesteuert basierend auf einem Steuersignal Sc des Motorsteuergeräts (ECU), um den Primärstrom zu steuern, der von einer Leistungsquelle 100 zu der Primärspule 103a der Strombereitstellspule 103 fließt, so dass ein vorgegebener Induktionsstrom in der Sekundärspule 103b erzeugt wird.
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Als nächstes wird der Betrieb der Zündvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung beschrieben, die, wie oben beschrieben, ausgebildet ist. 2 ist ein Zeitablaufdiagramm zum Erklären des Betriebs der Zündvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung; 2(a) stellt die Wellenform des Steuersignals Sv dar, das an die Basis der Schalteinrichtung 104 bereitgestellt wird; 2(b) stellt die Wellenform des Steuersignals Sc dar, das an die Basis der zweiten Schalteinrichtung 105 bereitgestellt wird; 2(c) stellt einen Primärstrom I1v dar, der in der Primärspule 102a der Hochspannungsbereitstellspule 102 fließt; 2(d) stellt einen Primärstrom I1c, der in der Primärspule 103a der Strombereitstellspule 103 fließt, dar; 2(e) stellt einen Sekundärstrom I2 dar, der ein Induktionsstrom ist, der in der Sekundärspule 103b der Strombereitstellspule 103 induziert wird; und 2(f) stellt eine Sekundärspannung V2 dar, die eine Induktionsspannung ist, die über der Sekundärspule 103b der Strombereitstellspule 103 induziert wird.
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In 1 und 2 wird zunächst, wenn zum Zeitpunkt T1 das Steuersignal Sv zum Steuern der ersten Schalteinrichtung 104 ein hohes Niveau (im Folgenden als H-Niveau bezeichnet) einnimmt, die erste Schalteinrichtung 104 eingeschaltet; anschließend fließt der Primärstrom I1v von der Leistungsquelle 100 zu der Masse (GND) über die Primärspule 102a der Hochspannungsbereitstellspule 102 und der ersten Schalteinrichtung 104. Aufgrund des Primärstroms I1v, der in der Primärspule 102a fließt, sammelt die Hochspannungsbereitstellspule 102 magnetische Energie.
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Zu dem Zeitpunkt T2 nachdem ausreichende magnetische Energie in der Hochspannungsbereitstellspule 102 angesammelt wurde, schaltet das Steuersignal Sv auf das niedrige Niveau (im Folgenden als L-Niveau bezeichnet). Im Ergebnis wird die erste Schalteinrichtung 104 abgeschaltet, wodurch der Primärstrom I1v, der in der Hochspannungsbereitstellspule 102 fließt, abgeschnitten bzw. abgetrennt wird. Im Ergebnis entlädt die Hochspannungsbereitstellspule 102 die gesammelte magnetische Energie, so dass eine Sekundärspannung, welches eine vorgegebene Hochspannung ist, über der Sekundärspule 102b erzeugt wird.
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Die Sekundärspannung, die über der Sekundärspule 102b der Hochspannungsbereitstellspule 102 erzeugt wurde, wird an der zentralen Elektrode 101a der Zündkerze 101 mittels der Sekundärspule 103b der Strombereitstellspule 103 angelegt. Im Ergebnis wird zum Zeitpunkt T2 ein dielektrischer Durchschlag in dem Kerzenspalt zwischen der zentralen Elektrode 101a und der Massenelektrode 101b erzeugt, wodurch eine Funkenentladungsbahn ausgebildet wird.
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Wenn auf der anderen Seite zu dem Zeitpunkt T11 das Steuersignal Sc das H-Niveau einnimmt, schaltet sich die zweite Schalteinrichtung 105 ein; anschließend fließt der Primärstrom I1c von der Leistungsquelle 100 zu der Masse über die Primärspule 103a der Strombereitstellspule 103 und den Sammler und den Emitter der zweiten Schalteinrichtung 105. Hier kann der Zeitpunkt T11 entweder der gleiche oder ein anderer sein als der Zeitpunkt T1.
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Wenn zu dem Zeitpunkt T11 das Anlegen des Primärstroms I1c an die Primärspule 103a der Strombereitstellspule 103 beginnt, wird eine Sekundärspannung V2 über der Sekundärspule 103b, wie in 2(f) dargestellt induziert und die Sekundärspannung V2 wird an die zentrale Elektrode 101a der Zündkerze 101 angelegt; jedoch, da kein elektrischer Durchschlag in dem Kerzenspalt durch dieses Spannungsniveau erwirkt wird, fließt kein Sekundärstrom I2 in dem Kerzenspalt, wie in 2(e) dargestellt. Aufgrund des Primärstroms I1c, der damit beginnt von dem Zeitpunkt T11 in der Primärspule 103a zu fließen, sammelt die Strombereitstellspule 103 magnetische Energie.
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Zu dem Zeitpunkt T21 nachdem ausreichende magnetische Energie in der Strombereitstellspule 103 gesammelt wurde, wird das Steuersignal Sc auf das L-Niveau geschaltet, so dass der Primärstrom I1c ausgeschaltet wird. Hier ist es wünschenswert den Zeitpunkt T21 in einer Zeitdauer einzustellen, in welcher eine Entladungsbahn in dem Kerzenspalt ausgebildet wird. In anderen Worten kann der Zeitpunkt T21 entweder der gleiche wie der Zeitpunkt T2 sein oder ungefähr 0 bis 100 [μs] hinter dem Zeitpunkt T2 liegen. Falls der Zeitpunkt T21 dem Zeitpunkt T2 vorangeht, wird die magnetische Energie, die in der Strombereitstellspule 103 angesammelt wurde, gelöst bzw. entladen, während sich keine Entladungsbahn in dem Kerzenspalt ausbildet; daher, da kein dielektrischer Durchschlag in dem Kerzenspalt erwirkt werden kann und folglich kein Induktionsstrom bereitgestellt werden kann, wird die magnetische Energie, die sich seit dem Zeitpunkt T11 angesammelt hat, verschwenderisch entladen. Dies ist nicht effizient.
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Zu dem Zeitpunkt T21 löst die Strombereitstellspule 103 die angesammelte magnetische Energie. Da, wie oben beschrieben eine Entladungsbahn bereits in dem Kerzenspalt zu dem Zeitpunkt T2 ausgebildet wurde und folglich die Impedanz sehr kein geworden ist, kann sogar die Strombereitstellspule 103, die eine niedrige Eignung zum Bereitstellen von Spannung aufweist, effizient den Sekundärstrom I2, welches ein Induktionsstrom ist, dazu bringen in die Entladungsbahn zu fließen.
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Als nächstes, wenn zu dem Zeitpunkt T3, das Niveau des Steuersignals Sc auf das H-Niveau geändert wird, beginnt der Primärstrom wieder damit in der Primärspule 103b der Strombereitstellspule 103 zu fließen und magnetische Energie sammelt sich in der Strombereitstellspule 103; gleichzeitig wird über der Sekundärspule 103b eine Sekundärspannung V2 induziert, die eine Polarität entgegengesetzt zu der davon zu einem Zeitpunkt aufweist, wenn die magnetische Energie gelöst wird.
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Zusätzlich wird in Ausführungsform 1 die Richtung von der zentralen Elektrode 101a der Zündkerze 101 zu der Massenelektrode 101b als die positive Richtung bezeichnet. Folglich, wenn magnetische Energie entladen wird, erzeugen sowohl Hochspannungsbereitstellspule 102 als auch die Strombereitstellspule 103 eine negative Spannung und der Sekundärstrom I2, der die negative Richtung aufweist, fließt; wenn der Primärstrom Ic1 fließt, wird die Sekundärspannung V2, welches eine positive Spannung ist, induziert und der Sekundärstrom I2, der die positive Richtung aufweist, fließt.
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Zu dem Zeitpunkt T3, da die Entladungsbahn ausgebildet wurde, ist die Impedanz in dem Kerzenspalt gering; aufgrund einer positiven Spannung, die über der Sekundärspule 103b der Strombereitstellspule 103 erzeugt wurde, fließt ein Entladungsstrom I2 mit positiver Richtung, die Richtung des Entladungsstroms ist entgegengesetzt zu der Richtung des Entladungsstroms I2, der bisher geflossen ist, in dem Kerzenspalt.
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Als nächstes, wenn zu dem Zeitpunkt T4 das Niveau des Steuersignals Sc auf das L-Niveau gewechselt wird, wird der Primärstrom I1c der Strombereitstellspule 103 abgeschnitten und folglich löst die Strombereitstellspule 103 die angesammelte Energie; folglich fließt der Sekundärstrom I2, der die negative Richtung aufweist, in dem Kerzenspalt. Anschließend kann durch Wiederholen des Betriebs, der ähnlich zu dem Betrieb ab dem Zeitpunkt T3 bis zu dem Zeitpunkt T4 ist, der Sekundärstrom I2, der die positive Richtung und die negative Richtung abwechselnd aufweist, das heißt, der ein großer Wechselstrom (AC-Strom) ist, dazu gebracht werden in den Kerzenspalt zu fließen; daher kann eine große Menge an Plasma in dem Kerzenspalt produziert werden.
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Wie oben beschrieben wurde, kann in der Zündvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung ein großer Wechselstrom in einem kurzen Zyklus in dem Raum zwischen den Elektroden der Zündkerze bereitgestellt werden; daher wird es ermöglicht, dass ein großes Entladungsplasma einfach mit einem einfachen Aufbau produziert werden kann und folglich kann eine magere Verbrennung stabil umgesetzt werden. Im Ergebnis kann, da der Kraftstoff, der für den Betrieb der Verbrennungskraftmaschine verwendet wird, drastisch reduziert werden kann, der Kohlstoffausstoß stark verringert werden, wodurch die Zündvorrichtung zum Umweltschutz beitragen kann.
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In der Zündvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung wird die Strombereitstellspule über ein sogenanntes Volltransistorzündverfahren angetrieben, bei welchem eine Strombereitstellspule durch eine zweite IGBT-Schalteinrichtung angetrieben wird, welches eine Transistoreinrichtung ist; daher kann eine einfache und günstige Zündvorrichtung erhalten werden. Das Volltransistorzündverfahren ermöglicht es einen großen Strom in einem Zyklus von der Kürze von bis zu 1 [MHz] und wiederholt während einer kurzen Zeitdauer in dem Raum zwischen den Elektroden einer Zündkerze bereitzustellen; folglich kann ein großes Entladungsplasma in der Zündkerze ausgebildet werden.
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Ausführungsform 2
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Für den Zweck des Ausbildens eines großen Entladungsplasmas und des Bereitstellens einer großen Menge an Plasma in einem großen Bereich der Brennkammer einer Verbrennungskraftmaschine ist es wünschenswert einen „großen Strom” an den Kerzenspalt „wiederholt während einer kurzen Zeitdauer” bereitzustellen. In der vorgenannten Ausführungsform 1 wird für den Zweck des Anlegens „eines großen Stroms” an den Kerzenspalt „wiederholt während einer kurzen Zeitdauer” die Strombereitstellspule mittels des Volltransistorzündverfahrens angetrieben.
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Jedoch ist es im Hinblick auf das Bereitstellen „eines großen Stroms” wünschenswert die Strombereitstellspule mittels eines kapazitiven Entladungsverfahrens anzutreiben (im Folgenden als „CDI-Verfahren” bezeichnet). In diesem Zusammenhang weist jedoch, obwohl es in der Lage ist einen großen Strom zur Verfügung zu stellen, ein bekanntes CDI-Verfahren eine Schwierigkeit beim Bereitstellen eines großen Stroms „wiederholt während einer kurzen Zeitdauer” auf, da das Laden eines Kondensators, welches die Bereitstellquelle eines kapazitiven Stroms ist, eine Zeitdauer von ca. mehreren Sekunden benötigt.
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Eine Zündvorrichtung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung ist auf eine solche Weise ausgebildet, das eine Strombereitstellspule mittels eines CDI-Verfahrens angetrieben wird, das, wie später beschrieben wird, konfiguriert ist, so dass ein „großer Strom” „wiederholt während einer kurzen Zeitdauer” bereitgestellt werden kann.
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3 ist ein Aufbaudiagramm einer Zündvorrichtung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung. In 3 ist eine Zündvorrichtung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung versehen mit einer Zündkerze 101, die eine zentrale Elektrode 101a als eine erste Elektrode aufweist und die eine GND-Elektrode 101b als eine zweiten Elektrode aufweist, die aufeinander über einen vorgegebenen Kerzenspalt zeigen; einer Hochspannungsbereitstellspule 102 als einer ersten Spuleneinrichtung mit einer Primärspule 102a und einer Sekundärspule 102b, die magnetisch miteinander über einen Eisenkern 102c gekoppelt sind; einer Strombereitstellspule 301, als einer zweiten Spuleneinrichtung, die eine Primärspule 301a und eine Sekundärspule 301b aufweisen, die magnetisch miteinander über einen Eisenkern 301c gekoppelt sind; einer ersten Schalteinrichtung 104, die in Reihe mit der Primärspule 102a der Hochspannungsbereitstellspule 102 verbunden ist; einer zweiten Schalteinrichtung 302, die in Reihe mit der Primärspule 301a der Strombereitstellspule 301 verbunden ist, einem Zündkondensator 304, der über die zweite Spule 301a mittels der zweiten Schalteinrichtung 302 verbunden ist; einer dritten Schalteinrichtung 305, die zwischen dem Verbindungspunkt des Emitters der zweiten Schalteinrichtung 302 und dem Zündkondensator 304 verbunden ist; und einer Gleichrichterdiode 306 und einer Spule 303, die zwischen einer Leistungsquelle 1001 und dem Zündkondensator 304 verbunden sind.
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Der Zündkondensator 304 und die Spule 303 bilden den LC-Resonanzschaltkreis aus; wie später beschrieben wird, wird der Zündkondensator 304 basierend auf einem Resonanzphänomen des LC-Resonanzschaltkreises geladen.
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In Ausführungsform 2 ist sowohl die erste Schalteinrichtung 104, die zweite Schalteinrichtung 302 als auch die dritte Schalteinrichtung 305 aus einem IGBT, welches eine Transistoreinrichtung ist, ausgebildet.
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Die Sekundärspule 102b der Hochspannungsbereitstellspule 102 und die Sekundärspule 301b der Strombereitstellspule 301 sind in Reihe miteinander über die Zündkerze 101 und die Masse eines Fahrzeugs verbunden. Die Zündkerze 101 ist in einer Brennkammer des Motors angeordnet. Die Hochspannungsbereitstellspule 102 stellt eine vorgegebene Hochspannung an die zentrale Elektrode 101a der Zündkerze 101 bereit, erwirkt einen dielektrischen Durchschlag in dem Kerzenspalt zwischen der zentralen Elektrode 101a und der Massenelektrode 101b und bildet eine Funkenentladungsbahn in dem Kerzenspalt aus. Die Strombereitstellspule 301 stellt, wie später beschrieben wird, einen großen Strom in der Funkenentladungsbahn, die in dem Kerzenspalt der Zündkerze 101 ausgebildet ist, bereit.
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Wie oben beschrieben wurde, ist der Zündkondensator 304 über die Primärspule 301a der Strombereitstellspule 301 mittels der zweiten Schalteinrichtung 302 verbunden; wobei der Primärstrom in der Primärspule 301a in einer Bahn fließt, die bei der positiven Elektrode des Zündkondensators 304 beginnt und zu der negativen Elektrode des Zündkondensators 304 über die Primärspule 301a und den Sammler und den Emitter der zweiten Schalteinrichtung 302 zurückkehrt. Sowie der elektrische Entladungsbetrag, der in dem Zündkondensator 304 angesammelt wurde, größer wird, wird der Wert des Primärstroms der Strombereitstellspule 301 größer. Demgemäß kann durch geeignetes Auswählen des Kapazitätswerts des Zündkondensators 304 und der Entladungsspannung davon, ein „großer Strom” bereitgestellt werden.
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Die erste Schalteinrichtung 104 ist basierend auf einem Steuersignal Sv des MSGs schaltgesteuert, um den Primärstrom zu steuern, der von der Leistungsquelle 100 zu der Primärspule 102a der Hochspannungsbereitstellspule 102 fließt, so dass eine vorgegebene Hochspannung über der Sekundärspule 102b erzeugt wird. Die zweite Schalteinrichtung 302 und die dritte Schalteinrichtung 305 sind basierend auf Steuersignalen ScH bzw. ScL von dem MSG schaltgesteuert.
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Die positive Elektrode des Zündkondensators 304 ist mit der Leistungsquelle 1001 mittels der Gleichrichterelektrode 306 und der Spule 303 verbunden; die negative Elektrode davon ist mit der Masse mittels der dritten Schalteinrichtung 305 verbunden. Demgemäß wird der Zündkondensator 304 über eine Bahn, die bei der Leistungsquelle 1001 beginnt und die Masse über die Gleichrichterdiode 306, die Spule 303, die positive Elektrode des Zündkondensators 304, die negative Elektrode des Zündkondensators 304, dem Sammler der dritten Schalteinrichtung 305 und dem Emitter der Schalteinrichtung 305 in dieser Reihenfolge erreicht, geladen.
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In der Zündvorrichtung, die, wie oben beschrieben, konfiguriert ist, werden gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung die erste Schalteinrichtung 104 und die zweite Schalteinrichtung 302 mittels den Steuersignalen Sv bzw. ScH zu denselben Zeitpunkten wie in der vorgenannten Ausführungsform 1 geschaltet. Die dritte Schalteinrichtung 305 wird von dem Steuersignal ScL auf eine solche Weise schaltgesteuert, um abgeschaltet zu werden, wenn die zweite Schalteinrichtung 302 eingeschaltet ist und um eingeschaltet zu werden, wenn die zweite Schalteinrichtung 302 ausgeschaltet ist.
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Der Zündkondensator 304 wird von der Leistungsquelle 1001 durch die Gleichrichterdiode 306 und die Spule 303 geladen, wenn die dritte Schalteinrichtung 305 ein ist. Zu diesem Zeitpunkt fließt der Ladestrom in dem Zündkondensator 304, während er mit der LC-Resonanzfrequenz verstärkt wird, die von dem elektrostatischen Kapazitätswert C des Zündkondensators 304 und dem Induktivitätswert L der Spule 303 ermittelt wird. In anderen Worten kann durch geeignetes Auswählen von Parametern umfassend den Induktivitätswert L und den elektrostatischen Kapazitätswert C der Zündkondensator 304 extrem schnell und mit einer Spannung, die größer ist als die Spannung der Leistungsquelle 1001, geladen werden.
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Der Entladungsschaltkreis des Zündkondensators 304 wird durch die Primärspule 301a der Strombereitstellspule 301 ausgebildet, wenn die zweite Schalteinrichtung 302 eingeschaltet ist; werden wie oben beschrieben die elektrischen Ladungen einer Ladespannung, die größer ist als der Spannungswert der Leistungsquelle 1001, als ein hoher Strom geladen. Im Ergebnis sammelt die Strombereitstellspule 301 hohe magnetische Energie.
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Als nächstes wird der Betrieb der Zündvorrichtung, die, wie oben beschrieben wurde, konfiguriert ist, gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung beschrieben. In der folgenden Beschreibung entsprechen die entsprechenden Zeitpunkte den vorgenannten in 2 dargestellten Zeitpunkten. In 3 schaltet zunächst, wenn zu dem Zeitpunkt T1 das Steuersignal Sv zum Steuern der ersten Schalteinrichtung 104 das H-Niveau einnimmt, die erste Schalteinrichtung 104 ein und anschließend fließt der Primärstrom I1v von der Leistungsquelle 1001 zu der Masse (GND) über die Primärspule 102a der Hochspannungsbereitstellspule 102 und die erste Schalteinrichtung 104. Aufgrund des Primärstroms I1v, der in der Primärspule 102a fließt, sammelt die Hochspannungsbereitstellspule 102 magnetische Energie.
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Zu dem Zeitpunkt T2 nachdem ausreichende magnetische Energie in der Hochspannungsbereitstellspule 102 gesammelt wurde, schaltet das Steuersignal Sv, um das L-Niveau einzunehmen. Im Ergebnis schaltet die erste Schalteinrichtung 104 aus, wodurch der Primärstrom I1v, der in der Hochspannungsbereitstellspule 102 fließt, abgeschnitten wird. Im Ergebnis löst die Hochspannungsbereitstellspule 102 die gesammelte magnetische Energie, so dass eine zweite Spannung, welches eine vorgegebene Hochspannung ist, über der Sekundärspule 102b erzeugt wird.
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Die Sekundärspannung, die über der Sekundärspule 102b der Hochspannungsbereitstellspule 102 erzeugt wurde, wird an die zentrale Elektrode 101a der Zündkerze 101 mittels der Sekundärspule 301b der Strombereitstellspule 301 angelegt. Im Ergebnis wird zu dem Zeitpunkt T2 ein dielektrischer Durchschlag in dem Kerzenspalt zwischen der zentralen Elektrode 101a und der Massenelektrode 101b erwirkt, wodurch eine Funkenentladungsbahn ausgebildet wird.
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Zu einem Zeitpunkt unmittelbar vor dem Zeitpunkt T1 ist die zweite Schalteinrichtung 302 ausgeschaltet und die dritte Schalteinrichtung 305 ist eingeschaltet; folglich wird der Zündkondensator 304 mittels der Leistungsquelle 1001 über die Gleichrichterelektrode 306 und die Spule 303 geladen. Zu diesem Zeitpunkt fließt der Ladestrom in dem Zündkondensator 304 während er mit der LC-Resonanzfrequenz verstärkt wird, die von dem elektrostatischen Kapazitätswert C des Zündkondensators 304 und dem Induktivitätswert L der Spule 303 festgelegt wird; wobei der Zündkondensator 304 extrem schnell und mit einer Spannung, die größer ist als die Spannung der Leistungsquelle 1001 geladen wird.
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Als nächstes, wenn zu dem Zeitpunkt T11 das Steuersignal ScH das H-Niveau einnimmt und das Steuersignal ScL das L-Niveau einnimmt, schaltet sich die zweite Schalteinrichtung 302 ein und die dritte Schalteinrichtung 305 schaltet aus, wodurch, wie oben beschrieben, der Entladungsschaltkreis des Zündkondensators 304 durch die Primärspule 301a der Strombereitstellspule 301 und den Kollektor und den Emitter der zweiten Schalteinrichtung 302 ausgebildet wird. Im Ergebnis fließt der Primärstrom I1c, welcher ein Entladungsstrom des Zündkondensators 304 ist, in der Primärspule 301a der Strombereitstellspule 301. Hier kann der Zeitpunkt T11 entweder der gleiche sein oder sich von dem Zeitpunkt T1 unterscheiden.
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Wenn zu dem Zeitpunkt T11 das Anlegen des Primärstroms I1c an der Primärspule 301a der Strombereitstellspule 301 beginnt, wird eine Sekundärspannung V2 über der Sekundärspule 301b induziert und die Sekundärspannung V2 wird an die zentrale Elektrode 101a der Zündkerze 101 angelegt; jedoch, da kein dielektrischer Durchschlag in dem Kerzenspalt durch dieses Spannungsniveau erwirkt wird, fließt kein Sekundärstrom I2 in den Kerzenspalt. Aufgrund des Primärstroms I1c, der damit beginnt in der Primärspule 301a ab dem Zeitpunkt T11 zu fließen, sammelt die Strombereitstellspule 301 magnetische Energie.
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Zu dem Zeitpunkt T21, nachdem ausreichende magnetische Energie in der Strombereitstellspule 103 angesammelt wurde, wird das Steuersignal ScH geschaltet, um das L-Niveau einzunehmen, und das Steuersignal ScL wird geschaltet, um das H-Niveau einzunehmen, so dass der Primärstrom I1c ausgeschaltet bzw. abgeschnitten wird. Hier ist es wünschenswert den Zeitpunkt T21 auf eine Zeitdauer einzustellen, in welcher die Entladung in dem Kerzenspalt ausgebildet ist.
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Zu dem Zeitpunkt T21 löst die Strombereitstellspule 301 die angesammelte magnetische Energie. Wie oben beschrieben wurde, wurde eine Entladungsbahn bereits in dem Kerzenspalt zu dem Zeitpunkt T2 ausgebildet und folglich wurde die Impedanz extrem gering; daher, wenn die gesammelte große magnetische Energie über einen Entladungsstrom des Zündkondensators 304 gelöst wird, kann der Sekundärstrom I2, welcher ein großer Induktionsstrom ist, dazu gebracht werden, in die Entladungsbahn zu fließen.
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Wenn zu dem Zeitpunkt T21 die Schalteinrichtung 305 einschaltet, wird der Zündkondensator 304 von der Leistungsquelle 1001, wie oben beschrieben wurde, geladen.
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Wenn zu dem Zeitpunkt T3 das Niveau des Steuersignals ScH auf das H-Niveau verändert wird und das Niveau des Steuersignals ScL zu dem L-Niveau verändert wird, beginnt der Primärstrom I1c, der von dem Entladungsstrom des Zündkondensators 304 erwirkt wurde, damit in die Primärspule 301b der Strombereitstellspule 301 zu fließen und folglich wird eine große magnetische Energie in der Strombereitstellspule 103 angesammelt; gleichzeitig wird über der Sekundärspule 301a eine Sekundärspannung V2 induziert, die eine Polarität entgegengesetzt zu der davon zu einem Zeitpunkt, wenn die magnetische Energie gelöst wird, aufweist.
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Zu dem Zeitpunkt T3, da die Entladungsbahn in dem Kerzenspalt ausgebildet wurde, ist die Impedanz in dem Kerzenspalt gering; aufgrund einer positiven Spannung, die über der Sekundärspule 301b der Strombereitstellspule 301 erzeugt wurde, fließt ein Entladungsstrom I2 mit positiver Richtung, das heißt, die Richtung davon ist entgegengesetzt zu der Richtung des Entladungsstroms I2, der bereits geflossen ist, in den Kerzenspalt.
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Als nächstes, wenn zu dem Zeitpunkt T4 das Niveau des Steuersignals ScH auf das L-Niveau geschaltet wird und das Niveau des Steuersignals ScL auf das H-Niveau geschaltet wird, wird der Primärstrom I1c der Strombereitstellspule 301 abgeschnitten und folglich löst die Strombereitstellspule 301 die angesammelte Energie; folglich fließt ein großer Sekundärstrom I2, der die negative Richtung aufweist, in den Kerzenspalt. Anschließend kann durch Wiederholen des Betriebs, der ähnlich zu dem Betrieb ab dem Zeitpunkt T3 bis zu dem Zeitpunkt T4 ist, der Sekundärstrom I2, der die positive Richtung und die negative Richtung abwechselnd aufweist, das heißt, der ein großer Wechselstrom ist, dazu gebracht werden in den Kerzenspalt zu fließen; daher kann eine große Menge an Plasma in dem Kerzenspalt erzeugt werden. Die Zündvorrichtung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung ermöglicht es die Strombereitstellspule mit einer Frequenz von bis zu 100 [kHz] anzutreiben.
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Insbesondere kann in dem Fall des CDI-Verfahrens, da der zu handhabende Strom groß wird, der Strom in Abhängigkeit von der Produktstruktur oder dem Anbringzustand zu einer Geräuschquelle für die Umwelt werden; jedoch kann durch Auswählen einer Betriebsfrequenz aus dem Radiofrequenzband das Bedenken, dass der Strom zu einer Geräuschquelle werden kann, eliminiert werden.
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Wie oben beschrieben wurde, kann in der Zündvorrichtung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung ein größerer Primärstrom wiederholt während einer kurzen Zeitdauer in der Primärspule der Strombereitstellspule fließen; daher kann ein größerer Strom an eine Entladungsbahn des Kerzenspalts angelegt werden. Demgemäß wird ein großes Entladungsplasma ausgebildet, so dass eine große Menge an Plasma an den breiten Bereich der Brennkammer bereitgestellt werden kann, um die Brennreaktion zu vereinfachen; folglich können der Grenzbereich der mageren Verbrennung und dergleichen expandiert werden.
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Ausführungsform 3
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Beispielsweise werden in einem Fahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine, in welcher Benzin als ein Kraftstoff verwendet wird, bei einigen Betriebszuständen eine Abgasrückführung (AGR) in großem Umfang, eine sehr magere Verbrennung und dergleichen umgesetzt, um die Motoreffizienz zu steigern; jedoch kann bei anderen Zuständen der Motor ausreichend mittels eines herkömmlichen Verfahrens betrieben werden, das heißt, einer sogenannten normalen Funkenentladung.
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In einer Zündsteuervorrichtung gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung wird es so ausgebildet, dass in der vorgenannten Ausführungsform 1 oder Ausführungsform 2 die Strombereitstellspule nur unter einigen Betriebszuständen der Verbrennungskraftmaschine angetrieben wird, um den vorgenannten Betrieb umzusetzen und dass bei anderen normalen Betriebszuständen die Zündkerze eine Funkenentladung nur mit der Hochspannungsbereitstellspule erwirkt, um die Verbrennungskraftmaschine zu betreiben.
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Das Antreiben der Strombereitstellspule erfordert eine hohe elektrische Leistung; falls die Strombereitstellspule bei jedem Betriebszustand angetrieben wird, wird die Energie, die zur Zündung benötigt wird, groß; folglich ist es in einigen Fällen denkbar, dass der Benzinverbrauch eher verschlechtert ist. Ferner erwirkt ein hoher Strom eine hohe Abnutzung und ein Reißen der Elektroden der Zündkerze. Daher ist es wünschenswert, dass bei anderen Zuständen als den benötigten, ein Antreiben der Strombereitstellspule angehalten wird.
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Die Betriebszustände, die ein großes Plasma erfordern, werden beispielsweise von dem MSG ermittelt. Das MSG ist eine Vorrichtung auch zur Handhabung der vorgenannten Situationen, bei welchen ein großes Entladungsplasma benötigt wird, wie beispielsweise das Umsetzen einer AGR im großen Umfang oder der Anweisung der Verwendung von sehr magerem Kraftstoff. Daher ist aufgrund der Eigenschaft des schnellen Erkennens dieser Situationen das MSG für eine Vorrichtung geeignet, die die Betriebszustände ermittelt, die ein großes Entladungsplasma erfordern. In diesem Fall ist das MSG in einer Betriebszustandserfassungsvorrichtung eingeschlossen, die den Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine ermittelt.
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Es kann zulässig sein, dass anstatt dessen, dass das MSG dazu gebracht wird den Betriebszustand zu ermitteln, der das große Entladungsplasma erfordert, ein großes Entladungsplasma durch Antreiben der Strombereitstellspule erzeugt wird, wenn ermittelt wird, dass der Verbrennungszustand der Verbrennungskraftmaschine nicht zufriedenstellend ist oder nicht zufriedenstellend werden könnte, basierend auf dem Ausgangswert eines Zylinderinnendrucksensors oder eines Ionenstromsensors der Verbrennungskraftmaschine, der Erfassung der Löschung durch Schwankungen in der Rotationsgeschwindigkeit der Verbrennungskraftmaschine oder dem Ergebnis der Verbrennungszustandsermittlung mittels eines Vibrationssensors oder dergleichen. In diesem Fall ist zumindest einer aus dem Zylinderinnendrucksensor oder dem Ionenstromsensor der Verbrennungskraftmaschine, der Ermittlung der Löschung durch Schwankungen der Rotationsgeschwindigkeit der Verbrennungskraftmaschine und/oder dem Vibrationssensor oder dergleichen in der Betriebszustandserfassungsvorrichtung eingeschlossen, die den Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine ermittelt.
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Da sie in der Lage ist eine hohe Energie bei der Zündung anzulegen, was notwendig sein kann, kann die Zündvorrichtung, die oben beschrieben wurde, gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung zum Reduzieren der verbrauchten Energie in der Verbrennungskraftmaschine beitragen. Ferner kann, da sie in der Lage ist unnötige Abnutzung und ein unnötiges Reißen der Zündkerze zu verhindern, die oben beschriebene Zündvorrichtung gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung auch zum Verhindern des Anstiegs der Wartungskosten und zum Verhindern des Verschwendens von natürlichen Energiequellen beitragen.
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Die oben beschriebene Zündvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird in einem Automobil, einem Motorrad, einem Außenbordmotor, einer zusätzlichen Maschine oder dergleichen, die eine Verbrennungskraftmaschine verwenden, angeordnet und ist in der Lage sicher einen Kraftstoff zu zünden; daher ermöglicht es die Zündvorrichtung effektiv die Verbrennungskraftmaschine zu betreiben und trägt folglich zum Umweltschutz und zur Lösung des Problems der Abnahme von Kraftstoffreserven bei.
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Verschiedene Modifizierungen und Veränderungen dieser Erfindungen werden dem Fachmann ohne von dem Schutzumfang dieser Erfindung abzuweichen ersichtlich und es sollte verstanden werden, dass diese nicht auf die beispielhaften hier beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist.
