WO2015071050A1 - Zündsystem und verfahren zum betreiben eines zündsystems für eine brennkraftmaschine - Google Patents

Zündsystem und verfahren zum betreiben eines zündsystems für eine brennkraftmaschine Download PDF

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ignition system
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Tim Skowronek
Thomas Pawlak
Wolfgang Sinz
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a method for operating a
  • Ignition system for an internal combustion engine.
  • the present invention relates to improvements for avoiding wear in such
  • ignition systems for internal combustion engines are based on a high-voltage generator, by means of which energy originating from the vehicle battery is converted to high voltages which are applied to a high-voltage generator
  • Spark gap is applied to combustible mixture in the
  • Secondary voltage generator is supplemented, by means of which an existing spark supplied with electrical energy and thus can be maintained independently of the stored amount of energy such a system is known for example from the prior art At the beginning of the spark, the current is so high that the electrodes of the spark gap are eroded
  • the above object is achieved by a method for operating an ignition system for an internal combustion engine, comprising a first voltage generator (“primary voltage generator”) and a bypass for maintaining a spark generated by the primary voltage generator
  • boost converter or be configured as a boost converter.
  • a spark generated by the primary voltage generator e.g., a step-up transformer
  • a rotational speed of an internal combustion engine used with the ignition system is determined. This may be, for example, reading a digital control signal (e.g., via a signal line or a bus system) or calculating the speed based on the change in engine crank angle over time. In this way, a speed change of the internal combustion engine can be determined. In response to the changed speed, the operation of the
  • a metering of the ignition spark energy provided as a function of the respective operating state takes place via the bypass, spark erosion at the electrodes of the ignition system can be reduced.
  • spark erosion at the electrodes of the ignition system can be reduced.
  • the generation of heat loss in the boost converter is reduced.
  • Another advantage is the robustness and durability of the ignition system to call.
  • lower requirements can be applied in the selection of components, whereby smaller components can be used
  • changing the operation comprises changing a
  • Time interval of voltage generation by the bypass is the time interval in which the spark is provided energy available, adjusted in response to the speed change.
  • reducing the length of the time interval may cause spark erosion on the
  • changing the time interval may include shifting the time interval above the crank angle and, alternatively or additionally
  • Extend or shorten the time interval By shifting the time interval over the crank angle, that time at which the bypass supports a spark generated by the primary voltage generator can be varied. Since the ignition is usually preferred in time with increased speed, thus a seamless support of the spark can be done by means of the bypass. A spark break can thus be effectively prevented. Extending or shortening the time interval can also be done in
  • Dependence of the speed can be made. The higher the speed, the shorter the duration of the spark can be selected. For example, in a speed range which is below a predefined threshold, a first duration for the spark may be provided, while above the threshold, a second, shorter duration is provided. In this way, the erosion can be reduced depending on the operating state.
  • the speed can be classified and the class compared to a predefined reference.
  • Speed ranges predefined and the currently determined speed assigned to a corresponding area. This allows a reduction of the effort in the evaluation and a reduction of
  • the speed signal can be obtained, for example, by evaluating a signal of an engine control unit.
  • the engine control unit determines the current
  • the signal may be communicated to the ignition system via a separate signal line or via a (e.g., digital) bus.
  • a (e.g., digital) bus may be used according to the invention without additional effort.
  • Speed signal can be made by evaluating a crank angle over time within the ignition system.
  • an electrical control or an analog circuit, a microcontroller or an ASIC For prototypes also a Field Programmable Gate Array (FPGA) of the
  • the ignition system is independent of the provision of an external speed signal and may undertake an appropriate resolution or effort to determine a current speed.
  • the speed change can be assigned to a corresponding reference, which results in a measure of the change in the operation of the bypass.
  • the speed can be classified and held for different speed classes, a respective stored reference. In this way, a complex is unnecessary
  • Hardware expenditure reduces, on the other hand, the fastest possible provision of a result for a new way of working the
  • Examples of changing the operation of the bypass include changing a spark duration in a range between 2 and 4 ms as long as the rotational speed reaches a range between 1500 rpm and 4500 rpm.
  • a value of about 3 ms results for the
  • the spark duration can be changed to 1 to 3 ms, provided that the rotational speed reaches a range between 3500 rpm and 5500 rpm.
  • the spark duration can be set to about 2 ms, provided that the speed reaches a range between 4000 and 5000 U / min.
  • the spark duration can be reduced to 0.5 to 2 ms, provided that the speed reaches a range between 4500 rpm and 6500 rpm.
  • a spark duration of about 1 ms can be set if the speed reaches a range between 5500 and 6500 rpm.
  • a spark duration of 3 ms in the speed range between 0 and 2500 rpm, a spark duration of 3 ms, in the speed between 2500 and 4000 rpm a spark duration of 2 ms and above 4000 rpm a spark duration of 1 ms are used.
  • the abovementioned speed classes and classes for spark durations can be stored in a memory, for example
  • References are stored and used (for example as a function of further operating parameters) to determine a current spark duration. Accordingly, a change in the ignition timing for the aforementioned
  • changing the operation of the bypass as a first step comprises determining a time interval of
  • Voltage generation takes place in that the determined speed is properly classified in one of the stored in a memory speed intervals, the speed intervals each having a predetermined time interval of the voltage generation and thus a predetermined operating time of the
  • the ignition system for an internal combustion engine in which the method according to the invention can be used comprises a bypass for the controlled maintenance of a spark generated by means of a primary voltage generator and means for determining a rotational speed of the internal combustion engine. In this way, a speed change can be detected by the ignition system.
  • the ignition system includes means for altering the operation of the bypass in response to a detected one
  • the speed change can be transmitted for example by an engine control unit to the ignition system, in which case the means for determining the speed change only an evaluation of
  • the means for changing the operation of the bypass for example, include a drive unit for a boost converter within the bypass, wherein the control unit controls a switch within the boost converter for providing electrical energy for the spark.
  • the ignition system is preferably set up to evaluate a crank angle over time via an electrical control or an analog circuit, a microcontroller, an ASIC or an FPGA within the ignition system in order to determine a speed change.
  • This allows the use already existing in conventional ignition systems hardware.
  • the aforementioned hardware may for example be arranged in an electronic unit of the ignition system. This allows a simple construction and implementation of the invention without additional hardware.
  • the ignition system comprises storage means, by means of which the
  • Ignition system is set up to classify the speed and / or speed change. For this purpose, determined rotational speeds are compared with stored in the storage means references or threshold values, which in turn are assigned instructions for changing or adjusting the operation of the bypass. In this way, a simple logic for
  • operating the ignition system can be used. Expensive hardware is unnecessary.
  • Figure 1 is a circuit diagram according to an embodiment of a
  • Figure 3 is a flow chart illustrating steps of a
  • FIG. 1 shows a circuit of an ignition system 1, which has a
  • Step-up transformer 2 as a high voltage generator comprising two coupled inductors L1, L2, namely a primary coil 8 and a
  • Secondary coil 9 is made and its primary side 3 can be supplied from an electrical energy source 5 via a first switch 30 with electrical energy.
  • a first switch 30 At the entrance of the circuit, in other words at the
  • a fuse 26 is provided.
  • a capacitance 1 7 is provided parallel to the input of the circuit or parallel to the electric power source 5.
  • the secondary side 4 of the step-up transformer 2 is powered by an inductive coupling of the primary coil 8 and the secondary coil 9 with electrical energy and has a known from the prior art diode 23 for Einschaltfunkenunterd Wegung, which diode may alternatively be replaced by a diode 21.
  • a spark gap 6 is provided against an electrical ground 14, via which the ignition current i 2 should ignite the combustible gas mixture.
  • Step-up transformer 2 a bypass 7 is provided, which comprises, for example, the electronic components of a boost converter, namely an inductor 15, a switch 27, a capacitor 10 and a diode 1 6.
  • the inductor 1 5 in the form of a transformer with a
  • Primary side 1 5 1 and a secondary side 15_2 provided.
  • the inductor 1 5 serves as an energy store to maintain a current flow.
  • Transformers are connected to the electric power source 5 and the fuse 26, respectively.
  • a second terminal of the primary side 1 5 1 is connected via a switch 27 to the electrical ground 14.
  • a second connection of the secondary side 1 5 2 of the transformer is direct without a switch connected to the diode 16, which in turn is connected via a node to a terminal of a capacitor 10.
  • This connection of the capacitor 10 is connected to the secondary coil 9 via a shunt 19, for example, and another connection of the capacitor 10 is connected to the electrical ground 14.
  • the output power of the boost converter is via the node on the diode
  • the diode 16 is oriented in the direction of the capacitance 10 conductive.
  • the structure of the bypass 7 is thus for example comparable to a boost converter.
  • current and voltage according to the gear ratio on one side are higher or lower than on the other side of the transformer, can be used for switching cheaper sizing for the switch
  • the switch 27 finds. For example, lower switching voltages can be realized, whereby the dimensioning of the switch 27 is simpler and less expensive.
  • the switch 27 is controlled via a drive 24, which is connected via a driver 25 to the switch 27.
  • a shunt 19 as current measuring means or
  • the measurement signal of the control 24 is supplied.
  • the switch 27 is configured to respond to a defined range of the current i 2 through the secondary coil 9.
  • a Zener diode 21 is connected in the reverse direction parallel to the capacitor 10.
  • the control 24 receives a control signal
  • S HSS- This can be used to switch the supply of energy via bypass 7 into the secondary side on and off.
  • the power of the electrical variable introduced through the bypass or into the spark gap, in particular via the frequency and / or the pulse-pause ratio, can also be controlled via a suitable control signal S H ss.
  • Switching signal indicated 32 by means of which the switch 27 can be controlled via the driver 25.
  • the switch 27 When the switch 27 is closed, the inductance 15 is supplied via the electrical energy source 5 with a current which flows directly into the electrical ground 14 when the switch 27 is closed. With open switch 27, the current is conducted through the inductance 15 via the diode 16 to the capacitor 10.
  • the voltage in response to the current in the capacitor 10 adjusting voltage adds to the above Secondary coil 9 of the step-up transformer 2 dropping voltage, whereby the arc is supported on the spark gap 6.
  • the capacitor 10 discharges, so that 27 energy can be brought into the magnetic field of the inductor 15 by closing the switch to 27 to recharge this energy to the capacitor 10 at a reopening of the switch. Recognizable is the control 31 of the primary side in the third
  • switch 30 is kept significantly shorter than is the case for the switch 27.
  • a non-linear dipole symbolized below by a high-voltage diode 33, the secondary-side coil of the
  • a motor control unit (MSG) 40 which receives a first speed signal S D and a second speed signal SD to a
  • the electrical circuit 42 outputs.
  • the electrical circuit 42 is further connected to a memory 41, from which limits for speed ranges and the speed ranges associated references can be read.
  • the electric circuit 42 is arranged for influencing the operation of the bypass 7 to provide the driver 24 with a speed-dependent modified control signal S H ss, the switch provided in response to which the driver 25 27 with a modified switching signal 32nd
  • a duration over which the bypass 7 supplies the spark gap 6 with electrical energy can be set to 3 ms, 2 ms, or 1 ms.
  • FIG. 2 shows time diagrams for a) the ignition coil current i zs , b) the associated bypass current i H ss, c) the output-side voltage across the spark gap 6, d) the secondary coil current i 2 for the ignition system shown in FIG.
  • diagram a) shows a short and steep rise of the primary coil current i Z s, which During the time in which the switch 30 is in the on state ("ON", see diagram 3e), the primary coil current i Z s also drops to 0 A. Switching off the switch 30 also shows the current consumption of the bypass 7, which by a pulse-shaped Control of the switch 27 comes about.
  • clock rates in the range of several tens of kHz have proven to be suitable as switching frequency, in order to realize appropriate voltages on the one hand and acceptable efficiencies on the other hand.
  • the integer multiples of 10,000 Hz in the range between 10 and 100 kHz may be mentioned as possible range limits.
  • Control of the power delivered to the spark gap is recommended in this case a, in particular stepless, control of the pulse-pause ratio of the signal 32 to generate a corresponding output signal.
  • Diagram c) shows the course 34 of the inventive operation at the
  • Step-up transformer stored magnetic energy in the form of a
  • a pulse-shaped control (see diagram f, switching signal 32) of the switch 27 is a substantially constant
  • FIG. 3 is a flowchart illustrating steps of FIG
  • step 100 a speed change of a system used with the ignition system
  • step 200 Use of a signal of an engine control unit or by evaluating a crankshaft angle over time within the ignition system done.
  • the determined speed is classified in step 200, that is assigned to a predefined speed interval. Further, in step 300, a class found for the speed is read out a reference. Using the reference, in step 400, the operation of the bypass is changed in a predefined manner.
  • a duration over which the bypass 7 supplies the spark gap 6 with electrical energy can be set to 3 ms, 2 ms, or 1 ms, or a start time for receiving the energy supply can be shifted through the bypass 7.
  • the time interval of the voltage generation is defined as a predetermined period in which the bypass 7, the spark gap 6 is supplied with electrical energy.
  • the switch 27 is switched clocked on and off, so that a predetermined
  • the determination of the time interval is carried out, for example, such that speed intervals are stored in a memory of a control, to each of which a predetermined time interval of the voltage generation is assigned.
  • the speed determined in step 100 is classified in step 200 in a suitable speed interval of the memory, wherein the time interval of the
  • a computer program may be provided which is set up to carry out all described steps of the method according to the invention.
  • the computer program is stored on a storage medium.
  • Circuit, an ASIC or a microcontroller are controlled, which is adapted to perform all the steps described in the inventive method.

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Abstract

Es werden ein Verfahren zum Betreiben eines Zündsystems (1) für eine Brennkraftmaschine, umfassend einen ersten Spannungserzeuger und einen Bypass (7), vorgeschlagen. Der Bypass (7) kann beispielsweise einen Hochsetzsteller zum Aufrechterhalten eines mittels des ersten Spannungserzeugers (2) erzeugten Funkens umfassen. Erfindungsgemäß wird eine Drehzahl einer mit dem Zündsystem (1) verwendeten Brennkraftmaschine ermittelt (100) und im Ansprechen auf die Drehzahländerung die Arbeitsweise des Bypasses (7) verändert (400).

Description

Beschreibung Titel
Zündsvstem und Verfahren zum Betreiben eines Zündsvstems für eine
Brennkraftmaschine
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines
Zündsystems für eine Brennkraftmaschine. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Verbesserungen zur Verschleißvermeidung bei solchen
Zündsystemen, bei welchen die Funkendauer steuerbar ist.
Bekanntermaßen basieren Zündsysteme für Verbrennungskraftmaschinen auf einem Hochspannungserzeuger, mittels welchem aus der Fahrzeugbatterie stammende Energie auf hohe Spannungen gewandelt wird, die an eine
Funkenstrecke angelegt wird, um brennfähiges Gemisch in der
Brennkraftmaschine zu entzünden. Hierbei wird ein durch den
Aufwärtstransformator fließender Strom abrupt unterbrochen, worauf die im Magnetfeld des Aufwärtstransformators gespeicherte Energie sich in Form eines Funkens entlädt. Ist die gespeicherte Energie entladen, erlischt der Zündfunke. Weiter sind im Stand der Technik Zündsysteme bekannt, bei welchen der erste Spannungserzeuger („Primärspannungserzeuger") um einen zweiten
Spannungserzeuger („Sekundärspannungserzeuger") ergänzt wird, mittels welchem ein bestehender Zündfunke mit elektrischer Energie versorgt und somit unabhängig von der gespeicherten Energiemenge aufrechterhalten werden kann. Ein solches System ist beispielsweise aus der dem Stand der Technik bekannt. Aufgrund der Entladecharakteristik des Hochspannungserzeugers fließt insbesondere zu Beginn des Funkenschlages ein so hoher Strom, dass die Elektroden der Funkenstrecke erodiert werden. Eine mittels des
Sekundärspannungserzeugers verlängerte Funkendauer verstärkt dabei die Erosion. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den vorgenannten Nachteil des Standes der Technik auszuräumen.
Offenbarung der Erfindung
Die vorstehend genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Betreiben eines Zündsystems für eine Brennkraftmaschine, umfassend einen ersten Spannungserzeuger („Primärspannungserzeuger") und einen Bypass zum Aufrechterhalten eines mittels des Primärspannungserzeugers erzeugten Funkens, gelöst. Dabei kann der Bypass insbesondere einen
Hochsetzsteller umfassen bzw. als Hochsetzsteller ausgestaltet sein. Ein durch den Primärspannungserzeuger (z.B. einen Aufwärtstransformator) erzeugter Funke wird durch den Bypass in geeigneter Weise durch aus dem Bordnetz entnommene Energie gestützt. Erfindungsgemäß wird eine Drehzahl einer mit dem Zündsystem verwendeten Brennkraftmaschine ermittelt. Dieses kann beispielsweise ein Auslesen eines digitalen Steuersignals (z.B. über eine Signalleitung oder ein Bus-System) oder ein Errechnen der Drehzahl anhand der Änderung des Kurbelwinkels der Brennkraftmaschine über der Zeit erfolgen. Auf diese Weise kann eine Drehzahländerung der Brennkraftmaschine ermittelt werden. Im Ansprechen auf die veränderte Drehzahl wird die Arbeitsweise des
Bypasses verändert. Auf diese Weise kann die Energie, mittels welcher der Bypass den Zündfunken versorgt, in Abhängigkeit eines aktuellen
Betriebszustandes der Brennkraftmaschine gesteuert werden. Da
erfindungsgemäß eine Dosierung der über den Bypass zur Verfügung gestellten Zündfunkenenergie in Abhängigkeit des jeweiligen Betriebszustandes erfolgt, kann Funkenerosion an den Elektroden des Zündsystems verringert werden. Zudem wird die Erzeugung von Verlustwärme im Hochsetzsteller verringert. Als weiterer Vorteil ist die Robustheit sowie die Dauerhaltbarkeit des Zündsystems zu nennen. Überdies können geringere Anforderungen bei der Bauteilauswahl angelegt werden, wobei auch kleinere Bauteile verwendet werden können
(„Downsizing"). Schließlich können auch elektromagnetische Steuerpegel reduziert werden, was die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) verbessert.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Bevorzugt umfasst das Verändern der Arbeitsweise ein Verändern eines
Zeitintervalls der Spannungserzeugung durch den Bypass. Mit anderen Worten wird dasjenige Zeitintervall, in welchem dem Zündfunken Energie zur Verfügung gestellt wird, in Abhängigkeit der Drehzahländerung angepasst. Insbesondere ein Verringern der Länge des Zeitintervalls kann die Funkenerosion an den
Elektroden vermindern.
Beispielsweise kann das Verändern des Zeitintervalls ein Verschieben des Zeitintervalls über dem Kurbelwinkel und alternativ oder zusätzlich ein
Verlängern oder Verkürzen des Zeitintervalls umfassen. Durch ein Verschieben des Zeitintervalls über dem Kurbelwinkel kann derjenige Zeitpunkt, zu welchem der Bypass einen über den Primärspannungserzeuger erzeugten Zündfunken stützt, variiert werden. Da der Zündzeitpunkt üblicherweise mit erhöhter Drehzahl zeitlich vorgezogen wird, kann somit eine nahtlose Stützung des Zündfunkens mittels des Bypasses erfolgen. Ein Funkenabriss kann somit wirksam verhindert werden. Auch ein Verlängern oder Verkürzen des Zeitintervalls kann in
Abhängigkeit der Drehzahl vorgenommen werden. Je höher die Drehzahl, desto kürzer kann die Dauer des Zündfunkens gewählt werden. Beispielsweise kann in einem Drehzahlbereich, welcher unterhalb eines vordefinierten Schwellenwertes liegt, eine erste Dauer für den Zündfunken vorgesehen werden, während oberhalb des Schwellenwertes eine zweite, kürzere Dauer vorgesehen wird. Auf diese Weise kann die Erosion betriebszustandsabhängig verringert werden.
Vorteilhafterweise kann die Drehzahl klassifiziert werden und die Klasse mit einer vordefinierten Referenz verglichen werden. Mit anderen Worten können
Drehzahlbereiche vordefiniert und die aktuell ermittelte Drehzahl einem entsprechenden Bereich zugeordnet werden. Dies ermöglicht eine Reduzierung des Aufwandes bei der Auswertung sowie eine Reduzierung des
Speicherbedarfes für unterschiedliche Referenzen.
Das Drehzahlsignal kann beispielsweise durch Auswerten eines Signals eines Motorsteuergerätes erhalten werden. Das Motorsteuergerät ermittelt die aktuelle
Drehzahl der Brennkraftmaschine ohnehin, so dass dieses Signal ohne zusätzlichen Aufwand erfindungsgemäß verwendet werden kann. Das Signal kann über eine gesonderte Signalleitung oder über einen (z.B. digitalen) Bus an das Zündsystem übermittelt werden. Alternativ oder zusätzlich kann das
Drehzahlsignal durch ein Auswerten eines Kurbelwinkels über der Zeit innerhalb des Zündsystems vorgenommen werden. Insbesondere kann eine elektrische Ansteuerung bzw. ein analoger Schaltkreis, ein MikroController oder ein ASIC (bei Prototypen auch ein Field Programmable Gate Array (FPGA) des
Zündsystems hierfür verwendet werden. Auf diese Weise ist das Zündsystem von der Bereitstellung eines externen Drehzahlsignals unabhängig und kann eine geeignete Auflösung bzw. einen geeigneten Aufwand zur Ermittlung einer aktuellen Drehzahl unternehmen. Somit können einerseits vorhandene
Hardware-Ressourcen verwendet, andererseits der Kommunikationsaufwand verringert werden.
Eine weitere Aufwandsverringerung ergibt sich durch das Verwenden einer gespeicherten Referenz bei der Veränderung der Arbeitsweise des Bypasses. Hierzu kann die Drehzahländerung einer entsprechenden Referenz zugeordnet werden, aus welcher sich ein Maß für die Veränderung der Arbeitsweise des Bypasses ergibt. Beispielsweise kann die Drehzahl klassifiziert werden und für unterschiedliche Drehzahlklassen eine jeweilige gespeicherte Referenz bereitgehalten werden. Auf diese Weise erübrigt sich eine komplexe
mathematische Operation bei der Zuordnung einer aktuellen Drehzahl zu einer bestimmten Arbeitsweise des Bypasses. Einerseits wird hierdurch der
Hardwareaufwand (Rechenleistung) verringert, andererseits eine möglichst rasche Bereitstellung eines Ergebnisses für eine neue Arbeitsweise des
Bypasses ermöglicht.
Beispiele für das Verändern der Arbeitsweise des Bypasses umfassen ein Ändern einer Funkendauer auf einem Bereich zwischen 2 und 4 ms, sofern die Drehzahl einen Bereich zwischen 1500 Umdrehungen pro Minute (U/min) und 4500 U/min erreicht. Bevorzugt ergibt sich ein Wert von ca. 3 ms für die
Funkendauer, wenn die Drehzahl einen Bereich oberhalb von etwa 2000 bis 3000 U/min erreicht. Alternativ oder zusätzlich kann die Funkendauer auf 1 bis 3 ms geändert werden, sofern die Drehzahl einen Bereich zwischen 3500 U/min und 5500 U/min erreicht. Bevorzugt kann die Funkendauer auf ca. 2 ms festgelegt werden, sofern die Drehzahl einen Bereich zwischen 4000 und 5000 U/min erreicht. Alternativ oder zusätzlich kann die Funkendauer auf 0,5 bis 2 ms reduziert werden, sofern die Drehzahl einen Bereich zwischen 4500 U/min und 6500 U/min erreicht. Insbesondere kann eine Funkendauer von ca. 1 ms festgelegt werden, sofern die Drehzahl einen Bereich zwischen 5500 und 6500 U/min erreicht. Alternativ kann im Drehzahlbereich zwischen 0 und 2500 U/min eine Funkendauer von 3 ms, im Drehzahl zwischen 2500 und 4000 U/min eine Funkendauer von 2 ms und oberhalb von 4000 U/min eine Funkendauer von 1 ms verwendet werden. Die vorstehenden genannten Drehzahlklassen und Klassen für Funkendauern können beispielsweise in einem Speicher als
Referenzen hinterlegt und (z.B. in Abhängigkeit weiterer Betriebskenngrößen) zur Festlegung einer aktuellen Funkendauer verwendet werden. Entsprechend könnte eine Veränderung des Zündzeitpunktes für die vorgenannten
Drehzahlbereiche vordefiniert und abgespeichert werden. Dies ermöglicht eine einfache und robuste Auswertung der Drehzahl und eine rasche Änderung der Funkendauer im Ansprechen auf einen neuen Drehzahlbereich. Nach einer vorteilhaften Ausführung umfasst das Verändern der Arbeitsweise des Bypasses als ersten Schritt das Bestimmen eines Zeitintervalls der
Spannungserzeugung durch den Bypass abhängig von der ermittelten Drehzahl. Auf diese Weise wird auch die Betriebsdauer des Hochsetzstellers abhängig von der ermittelten Drehzahl bestimmt. Anschließend wird der Bypass in diesem vorbestimmten Zeitintervall betrieben, wodurch die Zeitdauer der Zündfunken, also die sogenannte Funken- oder Funkenbrenndauer gesteuert wird.
Sehr vorteilhaft ist, wenn das Bestimmen eines Zeitintervalls der
Spannungserzeugung dadurch erfolgt, dass die ermittelte Drehzahl in eines der in einem Speicher abgelegten Drehzahlintervalle passend eingeordnet wird, wobei den Drehzahlintervallen jeweils ein vorbestimmtes Zeitintervall der Spannungserzeugung und damit eine vorbestimmte Betriebsdauer des
Hochsetzstellers zugeordnet ist. Das Zeitintervall wird dann auf das dem passenden Drehzahlintervall zugeordnete Zeitintervall festgelegt.
Das Zündsystem für eine Brennkraftmaschine, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren Anwendung finden kann, umfasst einen Bypass zum gesteuerten Aufrechterhalten eines mittels eines Primärspannungserzeugers erzeugten Funkens und Mittel zum Ermitteln einer Drehzahl der Brennkraftmaschine. Auf diese Weise kann auch eine Drehzahländerung durch das Zündsystem festgestellt werden. Zusätzlich umfasst das Zündsystem Mittel zum Verändern der Arbeitsweise des Bypasses im Ansprechen auf eine ermittelte
Drehzahländerung. Die Drehzahländerung kann beispielsweise durch ein Motorsteuergerät an das Zündsystem übermittelt werden, in welchem Falls die Mittel zum Ermitteln der Drehzahländerung lediglich eine Auswertung des
Signals des Motorsteuergerätes durchführen. Alternativ können die Mittel auch einen Kurbelwinkel über der Zeit auswerten, so dass eine externe Bereitstellung eines Drehzahlsignals nicht erforderlich ist. Die Mittel zum Verändern der Arbeitsweise des Bypasses können beispielsweise eine Ansteuereinheit für einen Hochsetzsteller innerhalb des Bypasses umfassen, wobei die Steuereinheit einen Schalter innerhalb des Hochsetzstellers zur Bereitstellung elektrischer Energie für den Zündfunken ansteuert. Grundsätzlich entsprechen die Merkmale, Merkmalskombinationen und die damit verbundenen Vorteile denjenigen des erfindungsgemäßen Verfahrens, so dass zur Ergänzung der Offenbarung und Vermeidung von Wiederholungen auf die in Verbindung mit dem erstgenannten Erfindungsaspekt gemachten Ausführungen verwiesen wird.
Bevorzugt ist das Zündsystem eingerichtet, über eine elektrische Ansteuerung bzw. eine analoge Schaltung, einen MikroController, einen ASIC oder ein FPGA innerhalb des Zündsystems einen Kurbelwinkel über der Zeit auszuwerten, um eine Drehzahländerung zu ermitteln. Dies ermöglicht die Verwendung bereits in üblichen Zündsystemen vorhandener Hardware. Die vorgenannte Hardware kann beispielsweise in einer Elektronikeinheit des Zündsystems angeordnet sein. Dies ermöglicht einen einfachen Aufbau und Realisierung der Erfindung ohne zusätzliche Hardware.
Bevorzugt umfasst das Zündsystem Speichermittel, mittels welchen das
Zündsystem eingerichtet ist, die Drehzahl und/oder die Drehzahländerung zu klassifizieren. Hierzu werden ermittelte Drehzahlen mit im Speichermittel hinterlegten Referenzen bzw. Schwellenwerten verglichen, denen wiederum Anweisungen zur Änderung bzw. Einstellung der Arbeitsweise des Bypasses zugeordnet sind. Auf diese Weise kann eine einfache Logik zum
erfindungsgemäßen Betreiben des Zündsystems verwendet werden. Kostspielige Hardware erübrigt sich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist:
Figur 1 ein Schaltbild gemäß einem Ausführungsbeispiel eines
Zündsystems, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren Anwendung finden kann; Figur 2 Darstellungen von Strom-Zeitdiagrammen sowie zugehöriger
Schaltsequenzen für die in Figur 1 gezeigte Schaltung; und
Figur 3 ein Flussdiagramm, veranschaulichend Schritte eines
Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ausführungsformen der Erfindung
Figur 1 zeigt eine Schaltung eines Zündsystems 1 , welches einen
Aufwärtstransformator 2 als Hochspannungserzeuger umfasst, der aus zwei gekoppelten Induktivitäten L1 , L2, nämlich einer Primärspule 8 und einer
Sekundärspule 9 besteht und dessen Primärseite 3 aus einer elektrischen Energiequelle 5 über einen ersten Schalter 30 mit elektrischer Energie versorgt werden kann. Am Eingang der Schaltung, mit anderen Worten also am
Anschluss zur elektrischen Energiequelle 5, ist eine Sicherung 26 vorgesehen.
Zur Stabilisierung der Eingangsspannung ist darüber hinaus eine Kapazität 1 7 parallel zum Eingang der Schaltung bzw. parallel zur elektrischen Energiequelle 5 vorgesehen. Die Sekundärseite 4 des Aufwärtstransformators 2 wird über eine induktive Kopplung der Primärspule 8 und der Sekundärspule 9 mit elektrischer Energie versorgt und weist eine aus dem Stand der Technik bekannte Diode 23 zur Einschaltfunkenunterdrückung auf, wobei diese Diode alternativ durch eine Diode 21 ersetzt werden kann. In einer Masche mit der Sekundärspule 9 und der Diode 23 ist eine Funkenstrecke 6 gegen eine elektrische Masse 14 vorgesehen, über welche der Zündstrom i2 das brennfähige Gasgemisch entflammen soll.
Zwischen der elektrischen Energiequelle 5 und der Sekundärseite 4 des
Aufwärtstransformators 2 ist ein Bypass 7 vorgesehen, der beispielsweise die elektronischen Bauelemente eines Hochsetzstellers umfasst, nämlich eine Induktivität 15, einen Schalter 27, eine Kapazität 10 und eine Diode 1 6. In diesem Bypass 7 ist die Induktivität 1 5 in Form eines Transformators mit einer
Primärseite 1 5 1 und einer Sekundärseite 15_2 vorgesehen. Die Induktivität 1 5 dient hierbei als Energiespeicher, um einen Stromfluss aufrecht zu erhalten. Zwei erste Anschlüsse der Primärseite 1 5 1 und der Sekundärseite 15_2 des
Transformators sind jeweils mit der elektrischen Energiequelle 5 bzw. der Sicherung 26 verbunden. Dabei ist ein zweiter Anschluss der Primärseite 1 5 1 über einen Schalter 27 mit der elektrischen Masse 14 verbunden. Ein zweiter Anschluss der Sekundärseite 1 5 2 des Transformators ist ohne Schalter direkt mit der Diode 16 verbunden, die wiederum über einen Knotenpunkt mit einem Anschluss einer Kapazität 10 verbunden ist. Dieser Anschluss der Kapazität 10 ist beispielsweise über einen Shunt 19 mit der Sekundärspule 9 und ein anderer Anschluss der Kapazität 10 ist mit der elektrischen Masse 14 verbunden. Die Ausgangsleistung des Hochsetzstellers wird über den Knotenpunkt an der Diode
16 in das Zündsystem eingespeist und der Funkenstrecke 6 zur Verfügung gestellt.
Die Diode 16 ist in Richtung der Kapazität 10 leitfähig orientiert. Der Aufbau des Bypass 7 ist somit beispielsweise vergleichbar mit einem Hochsetzsteller.
Aufgrund des Übertragungsverhältnisses wirkt ein Schaltvorgang durch den
Schalter 27 im Zweig der Primärseite 15 1 auch auf der Sekundärseite 15_2. Da jedoch Strom und Spannung gemäß dem Übersetzungsverhältnis auf der einen Seite höher bzw. niedriger als auf der anderen Seite des Transformators sind, lassen sich für Schaltvorgänge günstigere Dimensionierungen für den Schalter
27 finden. Beispielsweise können geringere Schaltspannungen realisiert werden, wodurch die Dimensionierung des Schalters 27 einfacher und kostengünstiger möglich ist. Gesteuert wird der Schalter 27 über eine Ansteuerung 24, welche über einen Treiber 25 mit dem Schalter 27 verbunden ist. Zwischen der Kapazität 10 und der Sekundärspule 9 ist ein Shunt 19 als Strommessmittel oder
Spannungsmessmittel vorgesehen, dessen Messsignal der Ansteuerung 24 zugeführt wird. Auf diese Weise ist der Schalter 27 eingerichtet, auf einen definierten Bereich der Stromstärke i2 durch die Sekundärspule 9 zu reagieren. Zur Absicherung der Kapazität 10 ist eine Zenerdiode 21 in Sperrrichtung parallel zur Kapazität 10 geschaltet. Überdies erhält die Ansteuerung 24 ein Steuersignal
S HSS- Über dieses kann die Einspeisung von Energie über den Bypass 7 in die Sekundärseite ein- und ausgeschaltet werden. Dabei kann auch die Leistung der durch den Bypass bzw. in die Funkenstrecke eingebrachten elektrischen Größe, insbesondere über die Frequenz und/oder das Puls-Pause-Verhältnis über ein geeignetes Steuersignal SHss gesteuert werden. Des Weiteren ist ein
Schaltsignal 32 angedeutet, mittels dessen der Schalter 27 über den Treiber 25 angesteuert werden kann. Bei geschlossenem Schalter 27 wird die Induktivität 15 über die elektrische Energiequelle 5 mit einem Strom versorgt, welcher bei geschlossenem Schalter 27 unmittelbar in die elektrische Masse 14 fließt. Bei offenem Schalter 27 wird der Strom durch die Induktivität 15 über die Diode 16 auf den Kondensator 10 geleitet. Die sich im Ansprechen auf den Strom im Kondensator 10 einstellende Spannung addiert sich zu der über der Sekundärspule 9 des Aufwärtstransformators 2 abfallenden Spannung, wodurch der Lichtbogen an der Funkenstrecke 6 gestützt wird. Dabei entlädt sich jedoch der Kondensator 10, so dass durch Schließen des Schalters 27 Energie in das magnetische Feld der Induktivität 15 gebracht werden kann, um bei einem erneuten Öffnen des Schalters 27 diese Energie wieder auf den Kondensator 10 zu laden. Erkennbar wird die Ansteuerung 31 des in der Primärseite 3
vorgesehenen Schalters 30 deutlich kürzer gehalten, als dies für den Schalter 27 der Fall ist. Optional kann ein nichtlinearer Zweipol, im Folgenden durch eine Hochspannungsdiode 33 symbolisiert, der sekundärseitigen Spule des
Hochsetzstellers parallel geschaltet werden. Diese Hochspannungsdiode 33 überbrückt den Hochspannungserzeuger 2 sekundärseitig, wodurch die durch den Bypass 7 gelieferte Energie direkt an die Funkenstrecke 6 geführt wird, ohne durch die Sekundärspule 9 des Hochspannungserzeugers 2 geführt zu werden. Somit entstehen keine Verluste über der Sekundärspule 9 und der Wirkungsgrad steigt. Eine erfindungsgemäße Drehzahlabhängigkeit der Arbeitsweise des
Bypasses ist durch ein Motorsteuergerät (MSG) 40 möglich, welches ein erstes Drehzahlsignal SD erhält und ein zweites Drehzahlsignal S D an einen
elektrischen Schaltkreis 42 ausgibt. Der elektrische Schaltkreis 42 ist weiter an einen Speicher 41 angebunden, aus welchem Grenzen für Drehzahlbereiche und den Drehzahlbereichen zugeordnete Referenzen ausgelesen werden können.
Der elektrische Schaltkreis 42 ist zur Beeinflussung der Arbeitsweise des Bypasses 7 eingerichtet, die Ansteuerung 24 mit einem drehzahlabhängig modifizierten Steuersignal SHss zu versorgen, im Ansprechen auf welches der Treiber 25 den Schalter 27 mit einem geänderten Schaltsignal 32 versorgt.
Beispielsweise kann eine Dauer, über welche der Bypass 7 die Funkenstrecke 6 mit elektrischer Energie versorgt auf 3 ms, 2 ms, oder 1 ms festgelegt werden.
Figur 2 zeigt Zeitdiagramme für a) den Zündspulenstrom izs, b) den zugehörigen Bypassstrom iHss , c) die ausgangsseitige Spannung über der Funkenstrecke 6, d) den Sekundärspulenstrom i2 für das in Figur 1 dargestellte Zündsystem ohne
(501 ) und mit (502) Verwendung des Bypasses 7, e) das Schaltsignal 31 des Schalters 30 und f) das Schaltsignal 32 des Schalters 27. Im Detail: Diagramm a) zeigt einen kurzen und steilen Anstieg des Primärspulenstroms iZs, welcher sich während derjenigen Zeit einstellt, in welcher sich der Schalter 30 im leitenden Zustand („ON", siehe Diagramm 3e) befindet. Mit Ausschalten des Schalters 30 fällt auch der Primärspulenstrom iZs auf 0 A ab. Diagramm b) veranschaulicht überdies die Stromaufnahme des Bypasses 7, welche durch eine pulsförmige Ansteuerung des Schalters 27 zustande kommt. In der Praxis haben sich als Schaltfrequenz Taktraten im Bereich mehrerer zehn kHz bewährt, um einerseits entsprechende Spannungen und andererseits akzeptable Wirkungsgrade zu realisieren. Beispielhaft seien die ganzzahligen Vielfachen von 10000 Hz im Bereich zwischen 10 und 100 kHz als mögliche Bereichsgrenzen genannt. Zur
Regelung der an die Funkenstrecke abgegebenen Leistung empfiehlt sich dabei eine, insbesondere stufenlose, Regelung des Puls-Pause-Verhältnisses des Signals 32 zur Erzeugung eines entsprechenden Ausgangssignals. Diagramm c) zeigt den Verlauf 34 der sich beim Erfindungsgemäßen Betrieb an der
Funkenstrecke 6 einstellenden Spannung. Diagramm d) zeigt die Verläufe des
Sekundärspulenstroms i2. Sobald sich der Primärspulenstrom iZs aufgrund eines Öffnens des Schalters 30 zu 0 A ergibt und sich damit die im
Aufwärtstransformator gespeicherte magnetische Energie in Form eines
Lichtbogens über der Funkenstrecke 6 entlädt, stellt sich ein
Sekundärspulenstrom i2 ein, der ohne Bypass (501 ) rasch gegen 0 abfällt. Im
Gegensatz hierzu wird durch eine pulsförmige Ansteuerung (siehe Diagramm f, Schaltsignal 32) des Schalters 27 ein im Wesentlichen konstanter
Sekundärspulenstrom i2 (502) über die Funkenstrecke 6 getrieben, wobei der Sekundärstrom i2 von der Brennspannung an der Funkenstrecke 6 abhängt und hier der Einfachheit halber von einer konstanten Brennspannung ausgegangen wird. Erst nach Unterbrechung des Bypasses 7 durch dauerhaftes Öffnen des Schalters 27 fällt nun auch der Sekundärspulenstrom \2 gegen 0 A ab. Aus Diagramm d) ist erkennbar, dass die abfallende Flanke durch die Verwendung des Bypasses 7 verzögert wird. Die gesamte Zeitdauer, während welcher der Bypass verwendet wird, ist als tHss und die Zeitdauer, während welcher Energie primärseitig in den Aufwärtstransformator 2 gegeben wird, als t, gekennzeichnet. Der Startzeitpunkt von tHss gegenüber t, kann variabel gewählt werden. Zudem ist es auch möglich, durch einen (nicht- dargestellten) zusätzlichen DC-DC- Wandler die von der elektrischen Energiequelle gelieferte Spannung zu erhöhen, bevor diese im Bypass 7 weiter verarbeitet wird. Es sei zur Kenntnis genommen, dass konkrete Auslegungen von vielen schaltungsinhärenten und externen Randbedingungen abhängen. Es stellt den befassten Fachmann vor keine unzumutbaren Probleme, die für seinen Zweck und die von ihm zu
berücksichtigenden Randbedingungen geeigneten Dimensionierungen selbst vorzunehmen. Figur 3 zeigt ein Flussdiagramm, veranschaulichend Schritte eines
Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens. In Schritt 100 wird eine Drehzahländerung einer mit dem Zündsystem verwendeten
Brennkraftmaschine ermittelt. Dies kann - wie oben beschrieben - unter
Verwendung eines Signals eines Motorsteuergerätes oder durch Auswertung eines Kurbelwellenwinkels über der Zeit innerhalb des Zündsystems erfolgen. Die ermittelte Drehzahl wird in Schritt 200 klassifiziert, also einem vordefinierten Drehzahlintervall zugeordnet. Weiter wird in Schritt 300 eine für die Drehzahl gefundene Klasse eine Referenz ausgelesen. Mit Hilfe der Referenz wird in Schritt 400 die Arbeitsweise des Bypasses in vordefinierter Weise verändert.
Beispielsweise kann eine Dauer, über welche der Bypass 7 die Funkenstrecke 6 mit elektrischer Energie versorgt auf 3 ms, 2 ms, oder 1 ms festgelegt oder ein Startzeitpunkt für die Aufnahme der Energiebereitstellung durch den Bypass 7 verschoben werden.
Das Zeitintervall der Spannungserzeugung ist definiert als ein vorbestimmter Zeitraum, in dem der Bypass 7 die Funkenstrecke 6 mit elektrischer Energie versorgt wird. In diesem Zeitintervall der Spannungserzeugung wird der Schalter 27 getaktet ein- und ausgeschaltet, so dass sich eine vorbestimmte
Betriebsdauer des Hochsetzstellers 7 ergibt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird das Zeitintervall der
Spannungserzeugung durch den Bypass 7 jeweils abhängig von der ermittelten Drehzahl bestimmt. Der Bypass 7 wird dann anschließend in diesem
vorbestimmten Zeitintervall betrieben.
Das Bestimmen des Zeitintervalls ist beispielsweise derart ausgeführt, dass in einem Speicher einer Steuerung Drehzahlintervalle gespeichert sind, denen jeweils ein vorbestimmtes Zeitintervall der Spannungserzeugung zugeordnet ist. Die in Schritt 100 ermittelte Drehzahl wird im Schritt 200 in ein passendes Drehzahlintervall des Speichers eingeordnet, wobei das Zeitintervall der
Spannungserzeugung jeweils geändert wird auf das dem passenden
Drehzahlintervall zugeordnete Zeitintervall (Schritt 300,400).
Es kann ein Computerprogramm vorgesehen sein, das dazu eingerichtet ist, alle beschriebenen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen. Dabei ist das Computerprogramm auf einem Speichermedium gespeichert. Alternativ zu dem Computerprogramm kann das erfindungsgemäße Verfahren von einem im Zündsystem vorgesehenen elektrischen Schaltkreis, einer analogen
Schaltung, einem ASIC oder einem Mikrocontroller gesteuert werden, der dazu eingerichtet ist, alle beschriebenen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen.
Auch wenn die erfindungsgemäßen Aspekte und vorteilhaften
Ausführungsformen anhand der in Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungsfiguren erläuterten Ausführungsbeispiele im Detail beschrieben worden sind, sind für den Fachmann Modifikationen und Kombinationen von Merkmalen der dargestellten Ausführungsbeispiele möglich, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen, deren Schutzbereich durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Zündsystems (1 ) für eine
Brennkraftmaschine umfassend einen ersten Spannungserzeuger und einen Bypass (7), insbesondere einen Hochsetzsteller, zum
Aufrechterhalten eines mittels des ersten Spannungserzeugers erzeugten Funkens gekennzeichnet durch
Ermitteln (100) einer Drehzahl einer mit dem Zündsystem
verwendeten Brennkraftmaschine, und
im Ansprechen auf eine Änderung der Drehzahl Verändern (400) der Arbeitsweise des Bypasses (7).
Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das Verändern (400) der Arbeitsweise ein Verändern eines Zeitintervalls der Spannungserzeugung durch den Bypass (7) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Verändern des Zeitintervalls der Spannungserzeugung
ein Verschieben des Zeitintervalls über dem Kurbelwinkel, und/oder ein Verlängern oder Verkürzen des Zeitintervalls
umfasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiter umfassend Klassifizieren (200) der Drehzahl, und
Vergleichen (300) der Klasse mit einer Referenz.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei
das Ermitteln (100) der Drehzahl ein Auswerten eines Signals eines Motorsteuergerätes, insbesondere eines digitalen Bussignals, umfasst, und/oder
das Ermitteln (100) der Drehzahl ein Auswerten eines Kurbelwinkels über der Zeit, insbesondere innerhalb eines elektrischen
Schaltkreises (42) und/oder eines ASICs des Zündsystems, umfasst.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiter umfassend
Verändern der Arbeitsweise des Bypasses (7) entsprechend einer gespeicherten Referenz.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das
Verändern (400) der Arbeitsweise des Bypasses (7) ein Ändern einer Funkendauer
auf 2 bis 4 ms umfasst, sofern die Drehzahl einen Bereich zwischen
1500 U/min und 4500 U/min erreicht, und/oder
auf 1 bis 3 ms umfasst, sofern die Drehzahl einen Bereich zwischen
3500 U/min und 5500 U/min erreicht, und/oder
auf 0,5 bis 2 ms umfasst, sofern die Drehzahl einen Bereich zwischen
4500 U/min und 6500 U/min erreicht.
8. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das Verändern (400) der Arbeitsweise des Bypasses (7) die Schritte umfasst
- Bestimmen eines Zeitintervalls der Spannungserzeugung durch den Bypass (7) abhängig von der ermittelten Drehzahl,
- Betreiben des Bypasses (7) in dem bestimmten Zeitintervall.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Bestimmen eines Zeitintervalls der Spannungserzeugung die Schritte umfasst
- Einordnen der ermittelten Drehzahl in eines der in einem Speicher abgelegten Drehzahlintervalle, wobei den Drehzahlintervallen jeweils ein vorbestimmtes Zeitintervall der Spannungserzeugung zugeordnet ist,
- Ändern des Zeitintervalls der Spannungserzeugung auf das dem passenden Drehzahlintervall zugeordnete Zeitintervall.
10. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das Zeitintervall der
Spannungserzeugung das Zeitintervall ist, in dem ein Schalter (27) des Bypasses (7) getaktet ein- und ausgeschaltet wird.
1 1 . Computerprogramm, das eingerichtet ist, alle Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 auszuführen.
12. Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 1 1 gespeichert ist.
13. Zündsystem, das eingerichtet ist, alle Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 auszuführen.
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