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Die Erfindung bezieht sich auf einen Drosselklappenstutzen mit einem
Gehäuse, das eine von einem gasförmigen Medium in einer Hauptströmungsrichtung
durchströmbare durchgehende Drosselöffnung aufweist, wobei in der
Drosselöffnung eine auf einer Drosselklappenwelle schwenkbar befestigte
Drosselklappe angeordnet ist, wobei die Drosselklappenwelle von einem Stellantrieb
verschwenkbar ist und wobei die Drosselöffnung eingangsseitig an eine
Eingangsleitung und ausgangsseitig an eine Ausgangsleitung angeschlossen ist.
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Zur Steuerung der dem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs
zuzuführenden Frischgasmenge werden üblicherweise Drosselklappenstutzen eingesetzt.
Drosselklappenstutzen umfassen ein Gehäuse mit einer durchgehenden
Drosselöffnung und ein in der Drosselöffnung angeordnetes Drosselorgan. Das
Drosselorgan ist häufig als Drosselklappe ausgebildet und nimmt für den
Durchlaß einer bestimmten Frischgasmenge eine bestimmte Stellung in der
Drosselöffnung ein. Hierzu ist die Drosselklappe mechanisch oder elektronisch
ansteuerbar.
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Die Drosselklappe eines Drosselklappenstutzens kann in einem Teilbereich,
zum Beispiel dem Leerlaufbereich, von einem Stellantrieb bewegbar und im
restlichen Bereich mit Hilfe eines an das Gaspedal des Kraftfahrzeugs
gekoppelten Drahtseiles bewegbar sein. Alternativ kann die Drosselklappe jedoch
auch in ihrem gesamten Verstellbereich von einem Stellantrieb bewegbar sein.
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Bei diesen letztgenannten Systemen gibt es keine mechanische Verbindung
zwischen der Sollwertvorgabe, insbesondere dem Gaspedal, und der
Drosselklappe. Ausgelöst durch das Niederdrücken des Gaspedals wird bei diesen
sogenannten E-Gas- oder Drive-by-wire-Systemen die Leistungsanforderung in
ein elektrisches Signal umgesetzt. Das elektrische Signal wird einer
Steuereinheit zugeführt, die wiederum aus dem elektrischen Signal ein Ansteuersignal für
den Stellantrieb erzeugt.
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Um Fehler bei E-Gas-Systemen bei der Übermittlung des Ansteuersignals von
der Steuereinheit zum Antrieb der Drosselklappenwelle zu vermeiden, gibt es
Drosselklappenstutzen, bei denen die Steuereinheit für den Stellantrieb in das
Gehäuse des Drosselklappenstutzens integriert ist. Die Steuereinheit kann
dabei in eine in dem Gehäuse angeordnete Elektronik integriert sein. Die
Elektronik ist dabei für weitere Funktionen des Drosselklappenstutzens vorgesehen,
beispielsweise für die Ansteuerung einer Positionskontrolle der
Drosselklappenwelle sowie die Erfassung und Speicherung von Daten des
Drosselklappenstutzens. Eine Integration der Elektronik in das Gehäuse des
Drosselklappenstutzens ist häufig mit einem besonders großen Herstellungs- und
Montageaufwand verbunden, da das Gehäuse zusätzlich eine Aufnahme für die
Elektronik aufweisen muß. Außerdem ist zur Montage des
Drosselklappenstutzens ein zusätzlicher Montageschritt erforderlich, bei dem die Elektronik in das
Gehäuse des Drosselklappenstutzens integriert wird.
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Zur Lastermittlung eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Otto-Motors
eines Personenkraftwagens, wird üblicherweise mittels eines
Luftmassensensors die durch die Drosselöffnung des Drosselklappenstutzens
hindurchtretende Luftmasse gemessen. Der hierzu erforderliche Luftmassensensor, HFM, ist
jedoch technisch aufwendig und insbesondere bei einer Massenproduktion von
Drosselklappenstutzen ein nicht unerheblicher Kostenfaktor. Zudem wird bei
einer Verschmutzung des Luftmassensensors das Meßergebnis verfälscht.
Daher ist es erforderlich, den Luftmassensensor in regelmäßigen Zeitabständen
oder bei Bedarf auszuwechseln.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Drosselklappenstutzen
der oben genannten Art anzugeben, der mit besonders einfachen Mitteln auch
über besonders lange Zeiträume hinweg eine besonders zuverlässige
Ermittlung der durch die Drosselöffnung hindurchtretenden Luftmasse zuverlässig
gewährleistet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß stromaufwärts vor
der Drosselklappe ein erster Sensor für die Temperatur T des gasförmigen
Mediums und stromabwärts nach der Drosselklappe ein zweiter Sensor für den
Druck T des gasförmigen Mediums angeordnet ist.
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Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, daß ein Luftmassensensor
für einen Drosselklappenstutzen - der auch über besonders lange Zeiträume
hinweg besonders zuverlässige Meßergebnisse gewährleistet - vor
Verunreinigungen geschützt sein sollte. Dies läßt sich jedoch insbesondere in einem
Ansaugluftkanal eines Personenkraftwagens nur mit besonders hohem Aufwand
durch den Einbau eines aufwendigen Filtersystems gewährleisten. Alternativ
zur direkten Luftmassenmessung gibt es jedoch die Möglichkeit, indirekt die
durch die Drosselöffnung des Drosselklappenstutzens hindurchtretende
Luftmasse zu bestimmen. Hierzu bieten sich ein Temperatur- und ein Drucksensor
an. Aus der Temperatur der Luft und dem Druck der Luft läßt sich zuverlässig
die durch die Drosselöffnung hindurchtretende Luftmasse ermitteln. Für die
Messung von Druck und Temperatur des durch die Drosselöffnung
hindurchtretenden Luftstromes sind außerdem Standardsensoren verwendbar, die auch
bei Massenproduktionen keinen erheblichen Beitrag zu den Kosten liefern. Um
zuverlässig eine Messung des Drucks des durch die Drosselöffnung
hindurchtretenden Luftstromes zu gewährleisten, ist hierzu der Drucksensor in
Strömungsrichtung hinter der Drosselklappe und der Temperatursensor in
Strömungsrichtung vor der Drosselklappe angeordnet.
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Vorteilhafterweise ist der erste für die Temperatur T des gasförmigen Mediums
vorgesehene Sensor an dem Gehäuse des Drosselklappenstutzens
angeordnet und ragt zumindest teilweise in die Drosselöffnung hinein. Eine Integration
des Temperatursensors in das Gehäuse des Drosselklappenstutzens
ermöglicht eine Vormontage des Temperatursensors in dem Gehäuse des
Drosselklappenstutzens, so daß der Temperatursensor dann gemeinsam mit dem
Gehäuse des Drosselklappenstutzens zwischen der Eingangsleitung und der
Ausgangsleitung anzuordnen ist. Hierdurch ist der für den Drosselklappenstutzen
und die Montage des Temperatursensors erforderliche Aufwand besonders
gering.
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Vorteilhafterweise ist der zweite für den Druck P des gasförmigen Mediums
vorgesehene Sensor in dem Gehäuse angeordnet und über einen in dem
Gehäuse angeordneten Kanal mit der Drosselöffnung verbunden. Eine Anordnung
des Drucksensors in dem Gehäuse schützt den Drucksensor besonders
zuverlässig vor Verschmutzungen.
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Vorteilhafterweise ist das Gehäuse von einem Gehäusedeckel verschließbar,
wobei in dem Gehäusedeckel eine Elektronik für den ersten für die Temperatur
T des gasförmigen Mediums vorgesehenen Sensors und den zweiten für den
Druck P des gasförmigen Mediums vorgesehenen Sensors angeordnet ist.
Weist das Gehäuse eine Elektronik für die beiden Sensoren auf, so sind die
Signale der Sensoren besonders zuverlässig aufgrund des kurzen Weges
zwischen den Sensoren und der Elektronik an die Elektronik übertragbar, wodurch
Fehler aufgrund von Signalübermittlungen oder Störungen in den
Übertragungsleitungen besonders zuverlässig vermieden sind.
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Vorteilhafterweise umfaßt die Elektronik auch die Steuerung des Stellantriebs.
Weiterhin ist vorteilhafterweise die Drosselklappenwelle mit einer
Positionserfassungseinrichtung verbunden, die über die Elektronik auslesbar ist. In der
Elektronik sind also alle erfaßten Daten des Drosselklappenstutzens auslesbar
und für weitere Zwecke in dem Kraftfahrzeug aufbereitbar.
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Vorteilhafterweise ist die Elektronik auf einer Leiterplatte angeordnet. Wird die
Elektronik vor dem Einbau in das Gehäuse auf einer Leiterplatte angeordnet,
insbesondere mit Hilfe von integrierten Schaltkreisen, so läßt sich die Elektronik
in einem einzigen Montageschritt in das Gehäuse integrieren. Die Elektronik ist
dann mit geeigneten Verbindungen sowohl an Einheiten außerhalb des
Gehäuses als auch mit in oder an dem Drosselklappenstutzen angeordneten
Sensoren verbindbar.
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Vorteilhafterweise ist die Elektronik über eine Steckverbindung mit der
Positionserfassungseinrichtung und dem Stellantrieb verbunden. Aufgrund der
räumlichen Nähe von Positionserfassungseinrichtung und Stellantrieb läßt sich
mittels eines einzelnen Bauteils eine Verbindung zwischen der Elektronik und der
Positionserfassungseinrichtung einerseits und der Elektronik und dem
Stellantrieb andererseits herstellen.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß
durch die indirekte Messung der durch den Drosselöffnung hindurchtretenden
Luftmasse mit Sensoren, die besonders unanfällig gegen Verschmutzungen
sind, auch über besonders lange Zeiträume hinweg besonders zuverlässig eine
Messung der durch die Drosselöffnung hindurchtretenden Luftmasse beim
Betrieb des Drosselklappenstutzens zuverlässig gewährleistet ist.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher
erläutert. Darin zeigen die Figuren:
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Fig. 1 schematisch einen Drosselklappenstutzen in
Explosivdarstellung,
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Fig. 2 schematisch die Anordnung der Sensoren in dem Gehäuse des
Drosselklappenstutzen gemäß Fig. 1 und
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Fig. 3 schematisch die Anordnung der Sensoren stromabwärts und
stromaufwärts des Drosselklappenstutzens.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen
Bezugszeichen versehen.
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Der Drosselklappenstutzen 10 gemäß Fig. 1 dient dazu, einem nicht
dargestellten Verbraucher, beispielsweise einer Einspritzeinrichtung eines ebenfalls
nicht dargestellten Kraftfahrzeugs, ein Luft- oder ein Kraftstoff-Luft-Gemisch
zuzuführen, wobei mittels des Drosselklappenstutzens 10 die dem Verbraucher
zuzuführende Frischgasmenge steuerbar ist. Hierzu weist der
Drosselklappenstutzen 10 ein Gehäuse 12 auf, das überwiegend aus Aluminium 14 gefertigt
ist. Alternativ kann das Gehäuse jedoch auch aus Kunststoff gefertigt sein. Das
Gehäuse 12 umfaßt eine durchgehende Drosselöffnung 16, über die dem nicht
dargestellten Verbraucher Luft- bzw. ein Kraftstoff-Luft-Gemisch zuführbar ist.
Zur Einstellung des zuzuführenden Volumens des Frischgases ist auf einer
Drosselklappenwelle 18 mit Hilfe von Befestigungsmitteln 20 eine
Drosselklappe 22 angeordnet. Die Drosselklappenwelle 18, die Befestigungsmittel 20 sowie
die Drosselklappe 22 sind in Fig. 1 in einer Explosionsdarstellung gezeigt.
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Eine Drehung der Drosselklappenwelle 18 bewirkt gleichzeitig eine
Verschwenkung der auf der Drosselklappenwelle 18 angeordneten Drosselklappe 22. Ein
Verschwenken der Drosselklappe 22 bewirkt eine Vergrößerung oder
Verkleinerung der Öffnung der Drosselöffnung 16. Hierdurch ist die Menge des durch
die Drosselöffnung 16 hindurchtretenden Strömungsmediums einstellbar.
Mittels einer Bewegung der Drosselklappe 22 erfolgt somit eine Regulierung des
Durchsatzes des Luft- bzw. Kraftstoff-Luft-Gemischs durch die Drosselöffnung
16 des Drosselklappenstutzens 10.
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Die Drosselklappenwelle 18 kann mit einer nicht näher dargestellten
Seilscheibe verbunden sein, die wiederum über einen Bowdenzug mit einer
Einstellvorrichtung für eine Leistungsanforderung verbunden ist. Die Einstellvorrichtung
kann hierbei als Gaspedal eines Kraftfahrzeugs ausgebildet sein, so daß eine
Betätigung dieser Einstellvorrichtung durch den Fahrer des Kraftfahrzeugs die
Drosselklappe 22 von einer Stellung minimaler Öffnung, insbesondere einer
Schließstellung, bis in eine Stellung maximaler Öffnung, insbesondere eine
Offenstellung gebracht werden kann, um hierdurch die Leistungsabgabe des
Kraftfahrzeugs zu steuern.
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Die in Fig. 1 gezeigte Drosselklappenwelle 18 des Drosselklappenstutzens 10
ist im Gegensatz dazu entweder in einem Teilbereich von einem Stellantrieb
und ansonsten über das Gaspedal einstellbar oder aber die Drosselklappe 22ist über den gesamten Verstellbereich von einem Stellantrieb einstellbar. Bei
diesen sogenannten E-Gas oder Drive-by-wire-Systemen wird die mechanische
Leistungssteuerung, beispielsweise Niederdrücken eines Gaspedals, in ein
elektrisches Signal umgesetzt. Dieses Signal wird wiederum einer Steuereinheit
zugeführt, die ein Ansteuersignal für den Stellantrieb erzeugt. Es gibt bei
diesen Systemen im Normalbetrieb keine mechanische Kopplung zwischen dem
Gaspedal und der Drosselklappe 22.
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Zur Verstellung der Drosselklappenwelle 18 und damit der Drosselklappe 22
weist der Drosselklappenstutzen 10 ein Antriebsgehäuse 24 auf. Das
Antriebsgehäuse 24 ist einstückig mit dem Gehäuse 12 des Drosselklappenstutzens 10
ausgeführt. Das Gehäuse 12 des Drosselklappenstutzens 10 und das
Antriebsgehäuse 24 können alternativ auch zweistückig ausgeführt sein. In dem
Antriebsgehäuse 24 ist ein als Elektromotor ausgebildeter elektrischer
Stellantrieb 26 angeordnet. Der als Elektromotor ausgebildete elektrische Stellantrieb
26 ist über ein Getriebe 28 mit der Drosselklappenwelle 18 verbunden. Die
Drosselklappenwelle 18 ist also von dem als Elektromotor ausgebildeten
Stellantrieb 26 verschwenkbar.
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Die Drosselklappe 22 ist über die Drosselklappenwelle 18 von einer
Rückstellfeder 28 in eine Grundstellung zurückschwenkbar beaufschlagt. Eine
Notlauffeder 30 gewährleistet weiterhin, daß auch bei einem Ausfall des als
Elektromotor ausgebildeten elektrischen Stellantriebs 26 die Drosselklappe nicht
vollständig geschlossen ist, so daß trotz des Ausfalls des als Elektromotor
ausgebildeten Stellantriebs 26 eine wenn auch nur geringe Fahrleistung des
Kraftfahrzeugs zuverlässig gewährleistet ist. Die Rückstellfeder 28 und die
Notlauffeder 30 sind an einem ersten Ende 32 der Drosselklappenwelle 18
angeordnet. Das Gehäuse 12 ist an diesem Ende von einem ersten Deckel 24
verschließbar. An dem zweiten Ende 36 der Drosselklappenwelle 18 ist eine als
Potentiometer ausgebildete Positionserfassungseinrichtung 38 zur Erfassung
der jeweils aktuellen Position der Drosselklappenwelle 18 und damit indirekt der
Drosselklappe 22 angeordnet.
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Die als Potentiometer ausgebildete Positionserfassungseinrichtung 38 und der
als Elektromotor ausgebildete Stellantrieb 26 sind mit Hilfe einer
Steckverbindung 40 an eine Leiterplatte 42 angeschlossen. Die Leiterplatte 42 ist dabei
mittels einer Deckplatte 44 von dem Gehäusebereich abgetrennt, in dem das
Potentiometer 38 und der als Elektromotor ausgebildete Stellantrieb 26
angeordnet sind. Die Deckplatte 44 schützt die Leiterplatte 42 zuverlässig vor
Verunreinigungen, die durch den Betrieb der mechanischen Elemente in dem
Drosselklappenstutzen 10 unvermeidlich sind. Auf der Leiterplatte 42 ist die
Elektronik 46 für den als Elektromotor ausgebildeten Stellantrieb 26 und die als
Potentiometer ausgebildete Positionserfassungseinrichtung 38 angeordnet. Die
Leiterplatte 42 ist bei der Montage des Drosselklappenstutzens 10 in einem
Deckel 48 anzuordnen, wobei mittels des Deckels 48 das Gehäuse 12 des
Drosselklappenstutzens 10 von der dem Federsystem abgewandten Seite her
verschließbar ist.
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Um beim Betrieb des Drosselklappenstutzens 10 die durch die Drosselöffnung
16 hindurchtretende Luftmasse zu bestimmten, sind in dem
Drosselklappenstutzen 10 gemäß Fig. 2 ein Temperatursensor 50 und ein Drucksensor 52
angeordnet. Der Temperatursensor ist dabei stromabwärts vor der Drosselklappe
22 und der Drucksensor 52 ist stromabwärts nach der Drosselklappe 22 an
dem Gehäuse 12 des Drosselklappenstutzens 10 angeordnet. Der
Temperatursensor 50 ist über eine elektrische Steckverbindung 54 mit der auf der
Leiterplatte 42 angeordneten Elektronik 46 verbunden, die in Fig. 2 nicht zu sehen
ist, da sie in dem Deckel 46 des Gehäuses 12 angeordnet ist. Der
Temperatursensor 50 ragt in die Drosselöffnung 16 hinein. Es handelt sich hierbei um ein
übliches Bauteil zur Messung von Temperatur.
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Der Drucksensor 52 ist in dem Gehäuse 12 des Drosselklappenstutzens 10
stromabwärts nach der Drosselklappe 22 angeordnet. Der Drucksensor 52 ist
ebenfalls mittels einer elektrischen Steckverbindung 56 mit der auf der
Leiterplatte 42 angeordneten Elektronik 48 verbunden, was ebenfalls in Fig. 2 nicht
näher dargestellt ist. Der Drucksensor 52 ist über einen in den Gehäuse 12
angeordneten Kanal 58 mit der Drosselöffnung verbunden.
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Alternativ zu Fig. 2 können der Temperatursensor 50 und der Drucksensor 52
auch gemäß Fig. 3 in Leitungen angeordnet sein, an die der
Drosselklappenstutzen 10 angeschlossen ist. Fig. 3 zeigt eine Eingangsleitung 60, an die der
Drosselklappenstutzen 10 eingangsseitig angeschlossen ist und eine
Ausgangsleitung 62, an die der Drosselklappenstutzen 10 ausgangsseitig
angeschlossen ist. Schematisch ist hierbei der Drosselklappenstutzen 10 dargestellt.
Der Drosselklappenstutzen ist also gemäß Fig. 3 eingangsseitig an eine
Luftzuführungsleitung als Eingangsleitung 60 und ausgangsseitig an eine
Ausgangsleitung 62, die als Druckleitung ausgebildet ist, angeschlossen. Gemäß
Fig. 3 ist der Temperatursensor 50 in der Eingangsleitung 60 und der
Drucksensor 52 in der Ausgangsleitung 62 angeordnet.
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Beim Betrieb des Drosselklappenstutzens 10 wird der Drosselöffnung 16 des
Drosselklappenstutzens 10 gasförmiges Medium 66 zugeführt, das in diesem
Ausführungsbeispiel als Luft ausgebildet ist. Das gasförmige Medium 66 weist
vor der Drosselklappe 22 des Drosselklappenstutzens 10 eine bestimmte
Temperatur T auf, die mittels des Temperatursensors 50 erfaßbar ist. Stromabwärts
nach dem der Drosselklappe 22 des Drosselklappenstutzens 10 weist die Luft
einen bestimmten Druck auf, der mittels des Drucksensors 52 erfaßbar ist. Die
in bestimmten Zeitabständen erfaßten Druck- und/oder Temperaturwerte sind
in nicht näher dargestellter Weise der auf der Leiterplatte 42 angeordneten
Elektronik 46 des Drosselklappenstutzens 10 zuführbar. Die Elektronik 46 der
Leiterplatte 42 weist geeignete Auswerteelektronik auf, mittels derer aus den
erfaßten Druck- und/oder Temperaturdaten, die durch die Drosselöffnung 16 in
durchtretende Luftmasse bestimmbar ist. Zusätzlich weist die Elektronik weitere
Module auf, mittels derer die jeweils aktuell ermittelte Luftmasse mit anderen
Informationen des Kraftfahrzeugs verbindbar und auswertbar ist.
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Durch die indirekte Messung von Temperatur und Druck des durch die
Drosselöffnung 16 des Drosselklappenstutzens 10 hindurchtretende Luftmasse ist
besonders zuverlässig gewährleistet, daß auch in besonders großen
Zeitintervallen zuverlässig die durch die Drosselöffnung 16 hindurchtretende Luftmasse
ermittelbar ist.