DE2409775A1 - Kraftstoff-luft-verhaeltnis-regelanlage einer brennkraftmaschine - Google Patents
Kraftstoff-luft-verhaeltnis-regelanlage einer brennkraftmaschineInfo
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Description
R 1 970
25.2.1974 Su/Kb
Anlage zur
Patent- und
Gebrauchsmusterhilfsanmeldung
ROBERT BOSCH GMBH, 7 Stuttgart 1
Kraftstoff-Luft-Verhältnis-Regelanlage einer Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft eine Kraftstoff-Luft-Verhältnis-Regelanlage
einer Brennkraftmaschine mit einer Vorrichtung zur Messung der vom Motor angesaugten Luftmenge (Luftmeßorgan)
und mit einer Kraftstoffzumeßeinrichtung.
-2-
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Zur Einhaltung einer geringen Schadstoffemission bei Brennkraftmaschinen
ist eine genaue Einhaltung des günstigsten Kraftstoff-Luft-Verhältnisses erforderlich. Dies gilt gleichermaßen
für konventionelle fremdgezündete Motoren, wie auch für Motoren mit geschichteter Ladung oder Selbstzündung.
Bei den bekannten Kraftstoffzumeßeinrichtungen für Brennkraftmaschinen
dient entweder die dem Motor zugeführte Luft oder die Kraftstoffmenge als Pührungsgröße und der Ergänzungsstoff wie Kraftstoff oder Luft wird entsprechend der Pührungsgröße
zugemessen. So wird üblicherweise bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen die vom Motor angesaugte Luftmenge durch
die im Saugrohr angeordnete Drosselklappe als Pührungsgröße willkürlich bestimmt. Um das gewünschte Kraftstoff-Luft-Gemisch
zu erhalten, wird diese änderbare Luftmenge gemessen und es wird ihr eine entsprechende Kraftstoffmenge zugemessen.
Ändert sich also die Luftmenge, so ändert sich auch die Kraftstoffmenge.
Zumessungsfehler, beispielsweise bei verstopften Düsen, werden bei derartigen "Polgesteuerungen" jedoch
nicht kontrolliert, so daß sehr schnell große Schadstoffemissionen
entstehen können, die der Betreiber der Brennkraftmaschine meist erst über das schlechte Fahrverhalten
der Brennkraftmaschine bemerkt. Insbesondere bei Anlagen mit intermittierender Einspritzung wird der Luftdurchsatz über
den Saugrohrdruck gemessen. Es wird also keine Luftmenge sondern nur der Luftdruck gemessen, mit den entsprechenden
Fehlern bei der zugeordneten Kraftstoffzumessung.
Bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen wird im allgemeinen die Kraftstoffmenge willkürlich geändert und die Luftmenge
vom Motor nach Bedarf angesaugt. Die Brennkraftmaschine fährt weitgehend mit einem Luftüberschuß, was auch wiederum zu unerwünschten
Schadstoffemissionen führen kann, da durch Luftüberschuß eine besonders heiße und damit stickoxidemissionsreiche
Verbrennung stattfindet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte Kraftstoff-Luft-Verhältnis-Regelanlage zu entwickeln',
mit der unabhängig von der Brennkraftmaschinenart die genannten Nachteile vermieden werden. -3-
5C9·: ο ;.'■*■.-.::'
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
in der Regelanlage angesaugte Luftmenge und zugemessene Kraftstoffmenge verglichen werden und daß bei Abweichen
von einem vorgegebenen Sollwert (beispielsweise/V =1)
automatisch durch ein Luftsteuerorgan und/oder ein Kraftstoffmengensteuerorgan
der gewünschte Sollwert einregelbar ist. Hierdurch wird in jedem Moment, in dem das Gemisch von
dem gewünschten schadstoffemissionsarmen Sollwert abweicht, eine Korrektur durchgeführt.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung durchströmt die dem Motor zugeführte Kraftstoffmenge ein Steuerorgan,
das auch vom Liftmeßorgan angesteuert einen der Luftmenge und Kraftstoffmenge entsprechenden Druckabfall bewirkt,
der als bestimmter Differenzdruck dem Sollwert entspricht9
so daß bei Abweichung von diesem Differenzdruck bis zu seiner Erreichung eine Änderung der dem Motor zugeführten Kraftstoffmenge
bzw. Luftmenge erfolgt. In Strömungsrichtung nach diesem Steuerorgan kann entweder ein Vergaser oder beispielsweise eine
Hochdruckeinspritzpunpe angeordnet sein. Maßgebend ist, daß die gesamte dem Motor zugeführte Kraftstoffmenge mit der gesamten
angesaugten Luftmenge verglichen wird.
Zwei Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher
beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 das erste Ausführungsbeispiel, bei dem die Luft
Führungsgröße ist und
Fig. 2 und 3 das zweite Ausführungsbeispiel, bei dem der Kraftstoff als Führungsgröße dient.
Fig. 2 und 3 das zweite Ausführungsbeispiel, bei dem der Kraftstoff als Führungsgröße dient.
Bei beiden Ausführungsbeispielen wird die Luft von einem Motor 1 durch ein Saugrohr 2 über einen Filter 3 ein Luftmeßorgan
4 und eine Drosselklappe 5 angesogen. Die Abgase
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des Motors 1 werden über einen Auspuff 6 geleitet, in dem ein Schalldämpfer 7 angeordnet ist. Der Motor 1, der
bei den Beispielen mit Selbstzündung arbeitet, wird von einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung 8 über Leitungen 9
mit Dieselkraftstoff versorgt, der direkt in die Motorzylinder bzw. die Vorkammern der Zylinder eingespritzt
wird.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel dient als Führungsgröße der Regeleinrichtung die durch die Stellung der
Drosselklappe 5 und zu einem gewissen Grade auch die Motordrehzahl bestimmte Frischluftmenge, weshalb die Drosselklappe
5 mit dem Gaspedal 11 des Fahrzeuges unmittelbar gekoppelt ist. Das Luftmeßorgan 4 betätigt einen Ventilschieber
12 eines Kraftstoffventiles 13j das in der Saugleitung
14 der Kraftstoffeinspritzpumpe 8 angeordnet ist.
Als Luftmeßorgan dient hierbei eine Platte 10, die quer zur Luftströmungsrichtung und am Ende eines -Schwenkhebels
15 im Saugrohr angeordnet ist. Der Schwenkhebel 15 wirkt unmittelbar auf den Schieber 12 entgegen einer hydraulischen
Rückstellkraft, die durch Flüssigkeit erzeugt wird, welche die rückseitige Stirnseite des Schiebers 12 beaufschlagt und welche
durch eine Kraftstoff3rderpumpe l6 gefördert wird, die auch
als Vorförderpumpe füi- die Einspritzpumpe 8 dient. Um die
Rückstellkraft konstant zu halten, ist ein Druckhalteventil 17 vorgesehen.
Das Ventil 13 bewirkt also einen Druckabfall in der Saugleitung
1*1, der der angesaugten Kraft st off menge sowie der das
Saugrohr durohströmendenLuftmenge entspricht. Der Ausschlag des Luftmeßorgans und die dabei am Ventil 13 bewirkte Querschnittsänderung
stehen,um irgendwelche Korrekturgrößen zu vermeiden, vorzugsweise in einem linearen Verhältnis zueinander.
Ändert sich also die durch das Ventil 13 bewirkte
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Druckdifferenz in der Saugleitung IM, so hat sich auch
das Verhältnis zwischen Luftmenge und Kraftstoffmenge geändert.
Diese Druckdifferenz wird deshalb als Regelgröße verwendet, die als Sollwert ein bestimmtes Verhältnis zwischen
Kraftstoffmenge und Luftmenge festlegt. Es werden deshalb die Drücke vor und nach dem Ventil 13 einem Differenzdruckventil
18 zugeführt, das einen Stellmotor 19 steuert, welcher die der Einspritzpumpe 8 zugeführte Kraftstoffmenge bestimmt.
Dies erfolgt, indem der Stellmotor das Kraftstoffzumeßglied betätigt, beispielsweise bei einer Reiheneinspritzpumpe
die Regelstange. Das hier dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt eine Saugdrosseleinspritzpumpe 8,bei der der Stellmotor
19 das Saugdrosselventil 20 steuert. Im Gegensatz zu diesem die Erfindung erläuternden Beispiel würde man
zur Vereinfachung das Ventil 13 unmittelbar als Saugdrossel verwenden. Der Stellmotor ist als hydraulischer
Stellmotor ausgebildet, der durch.Flüssigkeit betätigt wird, die durch das Differenzdruckventil 18 bestimmt wird.
Das Differenzdruckventil 18 arbeitet mit einer Membran 21, die auf der einen Seite von dem Kraftstoffdruck beaufschlagt
ist, der vor dem Ventil 13 und auf· der anderen Seite der nach dem Ventil 13 herrscht. Zum Ausgleich der Druckdifferenz
ist In der Kammer niedereren Drucks eine die Membran 21 zusätzlich beaufschlagende Feder 22 angeordnet, während
in der gegenüberliegenden Kammer, in der der niederere Druck herrscht, ein durch die Membran 21 als bewegliches Ventilteil
gesteuerter fester Ventilteil 23 angeordnet ist, von dem eine entsprechende Leitung 24 zum Stellmotor 19 führtr Vorteilhafterweise
läßt man konstant über diese Leitung 21I einen
Teil des von der Pumpe 15 geförderten Kraftstoffes zurück zum Kraftstoffbehälter 25 fließen und bewirkt durch eine
kurz vor der Mündung angeordnete Drossel 26 die bei Ändern des Querschnittes des Differenzdruckventils 21·,23 gewünschte
Druckänderung zur Betätigung des Stellmotors 19· Die Regelgröße, die durch die hydraulische Rückstellkraft am Schieber
12 sowie durch die Kraft der Feder 22 im Differenzdruckventil bestimmt wird, läßt sich durch Ändern dieser beiden Kräfte
wandeln, z.B. in Abhängigkeit der Motortemperatur oder des atmosphärischen Druckes, wodurch dann das Verhältnis zwischen
Kraftstoffmenge und Luftmenge geändert wird.
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Die Pumpe 8 arbeitet als intermittierend einspritzende Verteilerpumpe, die bei jedem Saughub die Saugleitung IU mit
dem Pumpenarbeitsraum 28 verhindet. über den hin- und hergehenden
und gleichzeitig rotierenden Verteiler 29 wird dann der Kraftstoff über eine Nut 27 zu den einzelnen Leitungen
9 und von dort zum Motor 1 gefördert. Die Abregelung der Pumpe kann durch einen Fliehkraftversteller 30 erfolgen/
der ein Ventil 31 in der Saugleitung der Pumpe steuert.
Sobald durch das Gasp3dal 11 die Drosselklappe 5 verstellt
wird und sich damit die zum Motor strömende Luftmenge verändert, verändert sich auch die Stellung des Luftmeßorgans
4 und damit die durch das Ventil 13 bewirkte Druckdifferenz. Diese Änderung der Regelgröße, also des
Sollwerts an Druckdifferenz,bewirkt über das Differenzdruckventil
18 ein Ändern des den Stellmotor 19 beaufschlagenden Drucks und damit eine Verstellung der Saugdrossel 20 der
Einspritzpumpe 8. Diese Verstellung wiederum bewirkt eine Änderung der Kraftstoffmenge, die somit der angesaugten
Luftmenge neu angepaßt wird. Auf diese Weise wird kontinuierlich die eingespritzte Kraftstoffmenge mit der angesaugten
Luftmenge verglichen und auf ein Sollwertverhältnis geregelt.
Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel arbeitet
im Prinzip wie das in Fig. 1 dargestellte mit dempnterschie'd,
daß als Führungsgröße die Einspritzmenge dient, die durch das Gaspedal 11, das hier direkt die Einspritzmenge
der" Einspritzpumpe 35 bestimmt. Auch hier wird die vom
Motor angesaugte Luftmenge durch einen Luftmesser 4 gemessen,
der den Querschnitt eines in Fig. 3 dargestellten Drosselventils ändert, über das der von der Kraftstoffeinspritzpumpe
35 über die Leitung 36 angesaugte Kraftstoff strömt,
der dann unmittelbar durch die Einspritzpumpe in die Brennkraftmaschin=
gespritzt wird.
-7-
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t 97 ü
-7-
Das Luftmeßorgan ist hier als einseitig im Saugrohr 2 angeordnete Stauklappe 37 ausgebildet, die für Luftrückschläge
mit einem überdruckventil 38 versehen ist.
Die Klappe ist auf einer Achse 39 gelagert und hat einen zweiten Flügel 40, der zur Bewegungsdämpfung in. einer
Auswölbung 41 der Saugleitung mit möglichst geringem Rand- spiel schwenkbar ist. Die Auswölbung 41 ist zu dem
stromab der Achse 39 befindlichen Saugrohrabschnitt hin offen.
Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch die Achse und einen Teil des Saugrohres gegenüber Fig. 2 in vergrößertem Maßstab.
Die Luftmeßklappe 37 weist vorteilhafterweise einen rechteckigen Querschnitt auf, um so, zwischen Drehwinkel und zu
messender Luftmenge ein lineares Verhältnis zu erhalten. Das Differenzdruckventil 42 ist achsgleich zur Klappenachse
39 unmittelbar am Saugrohr 2 angeordnet. Von der Pumpe 15 her geförderi, gelangt der Kraftstoff im Differenzdruckventil
42 über die Leitung 43 vor Eintritt in das
Drosselventil in die eine Kammer 45 des Differenzdruckventils,
von der die Leitung 46 zum Stellmotor 19 führt. Der Austrittsquerschnitt der Leitung 46 wird durch die Membran 44 gesteuert,
welche auf der entgegengesetzten Seite in der Kammer 47 durch eine Feder 48 belastet ist. Der nicht über die
Leitung 46 abströmende Kraftstoff gelangt aus der Leitung in eine Leitung 49, die in der Achse 39 verläuft und von dort
in eine auf der Mantelfläche der Achse 39 angeordnete Ringnut 50. Die Luftmeßklappe 37 selbst ist auf einer Nabe 51 angeordnet,
die wiederum auf der Achse 39 verdrehbar gelagert ist. An der Nabe 51 greift eine als Spiralfeder ausgebildete
Rückstellfeder 52 an. In dieser Nabe 51 verläuft für die weitere Kraftstofführung ein Kanal 53,+der dann zusammen mit
Ausnehmungen 54 auf der Mantelfläche der Achse 39 das Drosselventil
darstellt, dessen Drosselwirkung in einem linearen
+ zu einem Schlitz 57 · ~8~
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Verhältnis zur Luftmenge steht. Von hier aus gelangt dann über einen Kanal 55 der Kraftstoff in die zweite Kammer 47
des Differenzdruckventils und von dort zum Saugkanal 36 der Einspritzpumpe 35· Durch einen Hebel 56 läßt sich
die Drehachse 39 und damit das Grundverhältnis zwischen Achsenstellung und Nabenstellung ändern.
Bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel wird also,sobald
durch das Gaspedal 11 die eingespritzte Menge geändert wird, durch Änderung des Differenzdrucks am Differenzdruckventil
42 die Drosselklappe 5 durch den Stellmotor
19 solange verstellt, bis die vom Luftmeßorgan 4 gemessene
Luftmenge und damit bewirkte Diffe-renzdruckänderung am
Ventil 57 »54 wieder dem gewünschten Sollwert entspricht.
Falls eine Aufteilung der Einspritzmenge auf zwei Brennräume über einem Arbeitskolben des Motors erforderlich ist,
so kann stromab des Differenzdruckventils eine zweite Einspritzpumpe angeschlossen werden, deren Saugmenge ebenfalls
vom Differenzdruckventil mit der gesamt angesaugten Luftmenge verglichen wird. Der Gemischregler bestimmt also immer das
gesamte Verhältnis zwischen Luft und Kraftstoff.
Die Erfindung ist besonders bei Hochdruckkraftstoffeinspritzanlagen
von Bedeutung, welche mit intermittierender Einspritzung arbeiten. Besonders die Anlagen, die mit dem
Saugrohrdruck als Führungsgröße arbeiten, welcher beispielweise den pneumatischen Regler der Einspritzpumpe betätigt,
sind die Abweichungen von einem gewünschten Kraftstoff -Luft -Verhältnis groß, schon allein deshalb, weil
das Verhältnis Luftmenge zu Druck im Saugrohr nicht linear ist.
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Claims (13)
1.) Kraftstoff-Luft- yerhältnXs-Regelaniage e_ineiL_Brennkraftmaschine
mit einer Vorrichtung zur Messung der vom Motor angesaugten Luftmenge (Luftmeßorgan) und mit einer
Kraft stoff zündeinrichtung, dadurch gekennzeichnet,· daß
in der Regelanlage (13,18) angesaugte Luftmenge und zugemessene Kraftstoffmenge verglichen werden und daß bei
Abweichen des Yergleichswertes von einem vorgegebenen Sollwert (beispielsweise )\ = 1) automatisch durch ein
Luftsteuerorgan (5) und/oder ein Kraftstoffmengensteuerorgan
(20) der gewünschte Sollwert einregelbar ist.
2. Kraft st off-Luft-Verhältnisj^Regelaniage'nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch die Verwendung bei Brennkraftmaschinen mit geschichteter Ladung und entsprechender Aufteilung
der zugeführten Kraftstoffmenge.
3. Kraft st of f - Luft - VerhäIJni£-TlegeIänlä'ger nach~Tlnspruch~"l,
gekennzeichnet durch die Verwendung bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen mit Kraftstoffeinspritzung.
4. Kraftstoff-Luft-Verhält'n^-^geläniage "nach^hspruch" 1,
2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß die dem Motor (1) zugeführte Kraft st off menge ein Steuerorgan (1"3,57,5^)
durchströmt, das auch vom Luftmeßorgan (4) angesteuert
einen der Luftmeng<2 und Kraft st off menge entsprechenden
Druckabfall bewirkt, der als bestimmter Differenzdruck
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dem Sollwert entspricht, so daß bei Abweichung von diesem Differenzdruck bis zu seiner Erreichung
• eine Änderung der dem Motor (1) zugeführten Kraftstoffmenge bzw. Luftmenge erfolgt.
5. Kraftstoff-Luft-Verhäjynis-Regelanlage nacfcfAnspruch 1T,
dadurch gekennzeichnet, daß als Steuerorgan (13,57,5*1) ein durch das Luftmeßorgan (4) verstellbares Kraftstoffventil
dient, dessen öffnungsquerschnitt der angesaugten Luftmenge entspricht und daß der Differenzdruck ein
Differenzdruckventil (18,42) beaufschlagt, das einen Stellmotor (19) ansteuert, der entweder die angesaugte
Luftmenge durch eine Drosselklappe (5) im Saugrohr oder die zugemessene Kraftstoffmenge ändert.
'
6. Kraftstoff-Luft-Verhältnis-Kegelahlage'nach Anspruch 4 Joder
5» dadurch gekennzeichnet, daß als Luftmeßorgan (4) eine Scheibe (10) dient, die quer zur Strömungsrichtung
an dem einen Ende eines ortsfest und nahezu reibungsfrei gelagerten Schwenkhebels (15) befestigt ist und proportional
der durch das Saugrohr (2) strömenden Luftmenge entgegen einer Rückstellkraft ausgelenkt den Steuerschieber (12)
des Kraftstoffventils (13) betätigt, wobei als Rückstellkraft
insbesondere Flüssigkeit konstanten Drucks die Rückseite des Steuerschiebers (12) beaufschlagt.
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2A09775
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-11-
7. Kraftstoff-Luft-Verhältnis_-Regelanlage nach Anspruch _§__
. oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Luftmeßorgan (4) eine im Saugrohr (2) schwenkbar gelagerte Klappe
(37) dient, deren Drehachse in bekannter Weise die Fläche in zwei in der Wirkfläche etwa gleich große
Flügel teilt, von denen der eine Flügel ins Saugrohr (2) ragt und auf der einen Seite von dem stromauf auf
der anderen Seite von dem strcnab der Klappe (37) herrschenden Druck beaufschlagbar ist und daß der andere Flügel (40)
zur Bewegungsdämpfung in einerAuswölbung (41) der Saugleitung
(2) mit möglichst geringem Randspiel schwenkbar ist und daß die Auswölbung zum Saugrohr stromab der
Achse (39) hin offen ist.
8. Kraftstoff-Luft-yerhärtnis-Regelanlage nach Anspruch 7.,
dadurch gekennzeichnet, daß die Klappe (37) mit einer Nabe (51) versehen ist, die auf einer relativ zur
Klappe drehfesten Achse (39) gelagert ist, und daß in der Achse (39) Kraftstoffkanäle (49,50,55) angeordnet
57)
sind, die mit Kanälen (53» in der Nabenbohrung zusammenwirken
und den sich ändernden Differenzdruck bewirken.
9. Kraftstoff-Luft—Verhältnis-Regelanlage..,nach einem der
Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Differenzdruckventil mit einem beweglichen Ventilglied
(Membran)(21,44) arbeitet, das in der einen Richtung,
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in der es eine Abflußleitung (24,46) steuert, durch den
höheren stromauf des Kraftstoffventils (13*57,54) herrschenden
Druck in der Schließrichtung durch den kleineren stromab des Ventils herrschenden Druck sowie eine Feder (22,48)
beaufschlagt ist.
10. Kraftstoff-Luft-Verhältnis^
dadurch gekennzeichnet, daß der Stellmotor (19) hydraulisch arbeitet.
11. Kraft s to ff-Luft - yjsjfaältnte-Rege lanlägejnacfi e inem" der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die angesaugte Luftmenge als Führungsgröße dient, indem
sie durch willkürliches Verstellen einer im Saugrohr (2) angeordneten Drosselklappe (5) änderbar ist und daß die
zugemessene Kraftstoffmenge des Kraftstoffmengensteuerorgans (20) durch den Stellmotor (19) änderbar ist (Fig. 1)
12, Kraft stoff-Luft-yeYhältnis-Regelahläge"nach Arispruch "ΊΓ,~
dadurch gekennzeichnet, daß als Kraf:stoffmengensteuerorgan
eine Einspritzpumpe (8) dient, deren Regler (20) durch den Stellmotor (19) beeinflußt wird.
13. Kraftstoff-Luft-y_erhilt"nis-Regelanlage nach einem der; vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zugemessene Kraftstoffmenge als Führungsgröße dient durch
willkürliches Verstellen des Kraftstoffmengensteuerorgans (11,35) und daß die zuzumessende Luftmenge durch eine im
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-13- I B ? Q
Saugrohr (2) angeordnete Drosselklappe (5) bestimmbar
ist» die durch den Stellmotor (19) betätigt wird.
Kraftstof f-Luft-Verhältnl^Regeläniage nach Anspruch _13,"
dadurch gekennzeichnet, daß als Kraftstoffmengensteuerorgan eine Einspritzpumpe (35) niit automatischer Drehzahlregelung
dient.
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