DE2644613A1

DE2644613A1 - Steuerungssystem fuer das luft-kraftstoffverhaeltnis bei einem verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE2644613A1
Application number: DE19762644613
Authority: DE
Inventors: Takatoshi Masui; Masaki Mituyasu
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1976-06-10
Filing date: 1976-10-02
Publication date: 1977-12-22
Also published as: JPS5846665B2; DE2644613B2; DE2644613C3; US4091781A; JPS52151426A

Description

Steuerungssystem für das Luft-Kraftstoffverhältnis bei einem Verbrennungsmotor

Es gibt Vergaser, die sogenannten SU-Vergaser, die eine variable Venturidüse aufweisen, deren Querschnitt in Abhängigkeit von der pro Zeiteinheit angesaugten Luft verändert wird, um die Geschwindigkeit des durch sie fließenden Luftstroms konstant zu halten.

Bei einem Vierzylindermotor, der mit einem Doppelvergaser ausgestattet ist, ist jeweils zwei Zylindern eine Vergasereinheit zugeordnet, wobei beide Vergaser gleichzeitig und in gleichem Ausmaße eingestellt werden, um das Luft-Kraftstoffverhältnis des dem Motor zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemische passend einzustellen. Auftretende Änderungen im Luft-Kraftstoffverhältnis wirken sich aufgrund der Simultantität der Betriebsweisen beider Vergasereinheiten in gleichem Ausmaß und in gleicher Richtung aus, so daß insgesamt gesehen auf der Abgasseite des Motors starke Änderungen im Luft-Kraftstoff verhältnis auftreten können·

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Nachteil zu beseitigen·

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 beschrieben« Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche«

Die Erfindung soll nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert werden« Es zeigt»

Fig· 1 eine schematische Draufsicht auf einen Verbrennungsmotor mit einem Steuerungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, der Anordnung nach Fig« 1;

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Fig. 3 ein Übersichtsbild über den Steuerkreis des erfindungs gemäß en Sys t ems;

Fig. k eine Ausführungsform eines Phasenschiebers bei der Erfindung, und

Fig. 5Ä und 5B graphische Darstellung über die Zusammenhänge zwischen der Änderung des Luft-Kraftstoffverhältnisses und den Impulsen, die die elektromagnetischen Ventile bei der Erfindung steuern, und zwar für verschiedene Phasenbeziehungen zwischen den beiden Ventilen zugeführten Steuerimpulseο

In Fig. 1 ist mit 1 eine Abgasleitung bezeichnet, 2 ist ein katalytischer Drei-Wege-Konverter, 3 ist ein Motor, k die von den Zylindern zum Konverter führende Abgasleitung, 9 ein Luftfilter, 10 eine Ansaugleitung und 11 eine Drosselklappe. Alle diese Teile sind für sich bekannt, weshalb eine nähere Erläuterung nicht erforderlich ist_e

Der Vergaser mit der einstellbaren Venturidüse soll unter Bezugnahme auf Fig. 2 erläutert werden. Unter einem Saugkolben 19» der im Inneren einer Unterdruckkammer 28 eines Gehäuses 21 gegen die Kraft einer Feder 20 gleitend beweglich ist, ist ein Venturirohr hZ ausgebildet· Der Saugkolben 19 ist mit einem Entlüftungskanal 23 versehen, durch welchen ein Venturi-Unterdruck der Unterdruckkammer 28 zugeführt werden kann« Die Charakteristik des Hebens und Senkens des Saugkolbens 19 wird daher hauptsächlich von der Menge der aus dem Luftfilter 9 angesaugten Luft, den Eigenschaften der Feder 20 und des Kolbens 19 selbst bestimmt.

Der Saugkolben 19 ist mit einer Düsennadel 18 versehen, die integral an ihm ausgebildet ist und in eine Schwimmerkammer 22 hineinragt, die Kraftstoff enthält. Mit dem Bezugszeichen 15 ist ein in

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der Schwimmerkammer 22 vorhandener Schwimmer bezeichnet. Ein Nadelsitz 14, der im Vergasjergehäuse 13 ausgebildet ist, bildet eine Hauptstrahldüse 14* aus. Ein Brückenteil 26 ragt leicht in das Venturirohr 42 hinein und bildet eine Hauptdüsenöffnung 43 aus. Am Brückenteil 26 ist ein Ring 24 auswechselbar angeordnet, mittels welchem der Durchmesser der Öffnung der Hauptdüse vorgegeben werden kann.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist im Vergasergehäuse 13 eine Nebenluftleitung 17 ausgebildet, die in den Düsenteil oberhalb der Hauptstrahldüse 14* mündet« Das andere Ende 16 der Nebenluftleitung 17 mündet in das Ansaugrohr 31 oberhalb der Hauptdüse 43.

Zwischen der Hauptstrahldüse 14' und dem Ring 24 ist eine Nebenluftkammer 25 ausgebildet ,in welcher der von der Hauptstrahldüse i4^f aus der Schwimmerkammer 21 her geförderte Kraftstoff mit Luft versetzt wird, um das Luft-Kraftstoffverhältnis des Gemische zu beeinflussen.

Die Düsennadel 18 läuft an ihrem freien Ende spitz zu-, so daß die Menge des durch einen ringförmigen Zwischenraum zwischen der Düsennadel 18 und dem Nadelsitz 14 strömenden Kraftstoffs und entsprechend des zwischen dem Ring 24 und der Düsennadel fließenden Kraftstoffs von der Position des Saugkolbens 19 abhängt, an welchem die Düsennadel 18 ausgebildet ist.

In der Nebenluftleitung 17 ist ein elektromagnetisch betätigbares Ventil angeordnet, das bei der einen, hier vollständig dargestellten Vergasereinheit das Bezugszeichen 8a trägt, während es bei der anderen Vergasereinheit, von der hier nur dieses Ventil dargestellt ist, das Bezugszeichen 8b trägt. Diese elektromagnetisch betätigbaren Ventile 8a bzw. 8b sind über eine Steuereinheit, beispielsweise einen Rechner 7» mit

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dem Sauerstoffsensor 5» einem sogenannten \ -Sensor, verbunden, der von bekannter Art ist und in der Abgasleitung 4 angeordnet ist. Der Sauerstoffsensor 5 stellt die Konzentration des Sauerstoffs im Abgas fest und liefert ein entsprechendes Signal zum Rechner 7· Mit 6 ist eine Stromquelle, wie beispielsweise die Fahrzeugbatterie, bezeichnet. Der Rechner 7 liefert einen Impuls an die elektromagnetisch betätigbaren Ventile 8a bzw. 8b, um diese zu öffnen oder zu schließen, um die Menge der Nebenluft zu regulieren.

Die Betriebsweise des vorbeschriebenen Steuerungssystems soll nachfolgend im Detail erläutert werden.

Wenn die Menge der durch die Venturidüse 42, die zwischen dem Saugkolben 19 und dem Brückenteil 26 mit dem Ring 24 ausgebildet ist, vergrößert wird, dann nimmt auch die Geschwindigkeit des Luftstroms in der Venturidüse entsprechend zu, was dazu führt, daß der Unterdruck in der unterdruckkammer 28 zunimmt. Der Saugkolben 19 wird daher gegen die Kraft der Feder 20 angehoben, so daß der Querschnitt der Venturidüse 42 vergrößert, um die Strömungsgeschwindigkeit der Luft in der Venturidüse auf einem konstanten Wert zu halten.

¥enn der Saugkolben 19 angehoben ist, dann fließt eine größere Kraftstoffmenge durch die vom Ring 24 gebildete Hauptdüse 32. Dies rührt daher, daß der Zwischenraum zwischen dem Umfang der Düsennadel 18 und dem inneren Rand des Rings 24 größer wird, da die Düsennadel 18 zu ihrem unteren Ende hin spitz zuläuft.

Wenn die angesaugte, durch die Venturidüse 42 strömende Luftmenge abnimmt, dann findet der entgegengesetzte Effekt statt. Die Luftgeschwindigkeit in der Venturidüse wird bis zu einem Ausmaß konstant gehalten, wodurch dem Motor ein Luft-Kraftstoff-Gemisch mit einem Luft-Kraftstoffverhältnis zugeführt wird, das nahe am vorbestimmten Wert liegt.

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Zusätzlich ist eine Nebenluftleitung 17 vorgesehen, die sich in die Hauptdüse hinein öffnet_o Die Menge der durch diese Leitung 17 zugeführten Nebenluft wird durch das zugehörige elektromagnetisch betätigbare Ventil 8a bzw. 8b geregelt. Der Sauerstoffsensor 5» der in der Abgasleitung k angeordnet ist, stellt die Konzentration des Sauerstoffs im Abgas fest und liefert ein entsprechendes Signal an den Rechner 7» der den Meßwert aus der Sauerstoffkonzentration mit einem vorgegebenen Wert vergleicht. Das elektromagnetisch betätigbare Ventil 8a bzw. 8b wird so betätigt, daß es sich wiederholt öffnet und schließt_s und zwar mit einer konstanten Frequenz, die von einem nicht gezeigten Oszillator erzeugt wird» Wenn ein Unterschied zwischen dem vorgegebenen Wert und dem Meßwert auftritt, dann wird das Impulsverhältnis verändert, d.h. bei gleichbleibender Gesamtzeitdauer von Öffnungszeit und Schließzeit werden Öffnungszeit und Schließzeit verändert. Dies wirkt sich auf die Menge der durch die Nebenluftleitung 17 strömenden Nebenluft entsprechend aus. Die Menge der Nebenluft, die dem in die Hauptdüse angesaugten Kraftstoff beigegeben wird, nimmt somit Einfluß auf das Luft-Kraftstoffverhältnis des dem Motor zugeführten Gemische. Wenn die Sauerstoffkonzentration, die vom Säuerstoffsensor 5 gemessen wird, ansteigt, dann wird die Nebenluftmenge, die durch die Nebenluftleitung 17 fließt, verringert und umgekehrt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die beiden Vergasereinheiten des Doppelvergasers jedoch nicht gleichzeitig in identischer Weise betrieben, vielmehr ist eine Phasendifferenz, von beispielsweise 180 zwischen den beiden elektromagnetisch, betätigbaren Ventilen 8a und 8b an den Vergasereinheiten 40a und 40b vorgesehen, d.h., die Öffnungsimpulse am einen Ventil 8a eilen zeitlich den Öffnungsimpulsen am anderen Ventil 8b um

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eine halbe Periodendauer vor, vobei unter Periodendauer die Gesamtdauer von Öffnungszeit und Schließzeit zu verstehen ist· Die Nebenluftzuführung in der einen Vergasereinheit ist dementsprechend gegenüber der Nebenluftzuführung in der anderen Vergasereinheit um eine entsprechende Zeitspanne jeweils verschoben. Um diesen Phasenunterschied zu erzeugen, ist in der Verbindung zwischen dem Rechner 7 und dem einen der elektromagnetisch betätigbaren Ventile, hier dem Ventil 8b, ein Phasenschieber 30 eingeschaltet, wie aus den Figuren 1 und 2 hervorgeht. Die Impulse werden somit dem Ventil 8b mit einer Phasenverzögerung gegenüber dem Ventil 8a zugeführt. Diese Phasendifferenz kann, wie bereits erwähnt, beispielsweise 180 , d.h. eine Halbperiode betragen.

Der Einfluß dieser Phasenverschiebung in den den Ventilen 8a und 8b zugeführten Steuerimpulsen soll nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 3 und h erläutert werden.

Wie schematisch in Fig. 3 gezeigt ist, wird ein Signal von einem einzigen Sauerstoffsensor 5 einer Steuereinheit, wie beispielsweise einem Rechner 7» zugeführt, in welchem der Meßwert des Sensors 5» d.h. die von ihm gelieferte Ausgangsspannung mit einem vorgegebenen Wert, beispielsweise einer Vergleichsspannung, verglichen wird. Der Rechner 7 liefert daraus abgeleitete Impulse direkt An das elektromagnetisch betätigbare Ventil 8a und außerdem zum Phasenschieber 30. Dem elektromagnetisch betätigbaren Ventil 8b werden die Impulse mit einer Zeitverögerung gegenüber jenen zugeführt, die dem Ventil 8a zugeleitet werden.

Eine Ausführungsform für einen Phasenschieber 30 ist in Fig. dargestellt, die aus zwei hintereinander angeordneten NAND-Kreisen IC₁ und IC₂ mit einem dazwischen geschalteten Verzögerungsglied besteht. Die NAND-Kreise sind vorzugsweise inte-

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grierte Schaltkreise. Der ganze Phasenschieber kann zu einem integrierten Schaltkreis zusammengefaßt sein· Zur einfachen Erläuterung seien die Signale für "Ein" und "Aus" mit "1" und "O" nachfolgend bezeichnet.

Fall I: Es sei angenommen, das dem Phasenschieber zugeführte Eingangssignal sei "0".

Da an den beiden Eingangskiemmen des NAND-Gliedes IC₁ eine "0" steht, ist das Ausgangssignal dieses NAND-Gliedes eine "1". An den beiden Eingängen des nachfolgenden NAND-Gliedes steht daher eine "1", dessen Ausgang zeigt daher eine ¹¹O". Wenn am Eingang des Phasenschiebers 30 eine "0" steht, steht daher auch an seinem Ausgang eine "0". Im Falle I wird das Ausgangssignal des NAND-Gliedes IC₁ nicht dem NAND-Glied IC_ zugeführt, wenn der Kondensator C auf eine vorbestimmte große Spannung aufgeladen ist. Das Ausgangssignal wird daher dem NAND-Glied IC₂ mit einer Zeitverzögerung Δ-t zugeführt, die durch die Größe des Widerstandes R und die Kapazität des Kondensators C bestimmt ist. Die Zeitverzögerung ^t ist so eingestellt, daß sie der gewünschten Phasendifferenz entspricht. Das dem Ventil 8b zugeführte Impulssignal ist daher um At gegenüber dem Impulssignal verzögert, das dem Ventil 8a zugeführt wird.

Fall II: Es sei angenommen, das dem Phasenschieber zugeführte Eingangssignal sei "1".

Da an beiden Eingängen des NAND-Gliedes IC. eine "1" steht, zeigt dessen Ausgang eine "0"_o An den beiden Eingängen des NAND-Gliedes IC₂ steht daher eine "0", weshalb dessen Ausgang wiederum eine "1" zeigt. Im Falle II wird wie im Fall I das Ausgangssignal des NAND-Gliedes IC₁ solange nicht dem NAND-Glied IC„ zugeführt, bis der Kondensator C auf eine entsprechend niedrige Spannung entladen ist. Das Ausgangssignal des NAND-

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Gliedes IC₁ wird somit den Eingängen des NAND-Gliedes IC₂ mit einer Zeitverzögerung ^t zugeführt, die durch die Größe des Widerstandes R und die Kapazität des Kondensators C bestimmt verden kann.

Aus der obigen Erläuterung geht hervor, daß die "Ein"- und "Aus'^Signale vom Rechner 7 dem elektromagnetisch betätigbaren Ventil 8b verzögert, und zwar um /\t gegenüber den Signalen am elektromagnetisch betätigbaren Ventil 8a zugeführt werden.

Es sei erwähnt, daß die Impulsform der Signale am Ventil 8a die gleiche ist wie am Ventil 8b, da der Sauerstoffsensor 5 und der Rechner 7 für beide Vergasereinheiten kOa und kOb gemeinsam ist, obwohl eine Phasendifferenz zwischen ihnen existiert«

Es sei nun angenommen, daß die Impulsformen der den Ventilen 8a und 8b zugeführten Impulse so sei, wie sie mit I und II in Fig. 5A gezeigt sind. Die sich ergebende Änderung im Luft-Kraft stoff verhältnis ist dann die Summe der Änderungen, die an beiden Vergas er einheit en auftreten, was in Figo 5-A- mit III gezeigt ist, worin die strichpunktierte Linie D das gewünschte Luft-Kraftstoffverhältnis, beispielsweise ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoffverhältnis, bedeutet. Die elektromagnetisch betätigbaren Ventile 8a und 8b sind so betrieben, daß sie sich mit konstanter Frequenz öffnen und schließen. ¥enn das Luft-Kraftstoff verhältnis unter einem gewünschten Verhältnis liegt, wie es durch die strichpunktierte Linie D dargestellt ist, dann registriert der Sauerstoffsensor 5 eine Sauerstoffkonzentration im Abgas, die entsprechend niedriger ist und bewirkt durch ein entsprechendes Signal am Rechner 7» daß den Ventilen 8a und 8b eine Impulsfolge zugeführt wird, in der die Einschaltzeit gegenüber der Ausschaltzeit entsprechend verlängert ist, so daß der Nebenluftanteil größer wird.

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Wenn dagegen das dem Motor zugeführte Gemisch ein Luft-Kraftstoffverhältnis aufweist, das über dem gewünschten Verhältnis liegt, dann stellt der Sauerstoffsensor 5 eine Sauerstoffkonzentration im Abgas fest, die entsprechend höher ist. Er liefert ein entsprechendes Signal an den Rechner 7» der nun die Ausschaltzeit innerhalb der Impulsfolge vergrößert, um die Nebenluftzufuhr durch die Ventile 8a und 8b entsprechend zu verringern. Die elektromagnetisch betätigbaren Ventile 8a und 8b sind somit rhythmisch geöffnet und geschlossen, wobei das Verhältnis von Öffnungszeit zu Schließzeit durch das Meßergebnis vom Sauerstoffsensor 5 bestimmt wird. Es versteht sich, daß für das Betriebsverhalten dieses Steuerungssystem eine hohe Impulsfrequenz von Vorteil ist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist, wie Fig. 5B erkennen läßt, eine Zeitverzögerung der Größe Δ* zwischen den Impulsen, die dem Ventil 8b zugeführt werden, gegenüber jenen Impulsen vorgesehen, die dem Ventil 8a zugeführt werden. Die entsprechenden Impulszüge sind in Fig. 5B ^mit I und II eingezeichnete Man sieht hieraus, daß das trotz relativ großer Änderungen im Luft-Kraft st off verhältnis an den einzelnen Vergasereinheiten sich insgesamt nur geringe Abweichungen von einem vorgegebenen Sollverhältnis ergeben, das in Fig. 5B beim Kurvenzug III mit D eingezeichnet ist«

In Fig. 5B ist der Impulszug II gegenüber dem Impulszug I um Δ t zeitverzögertο Das Impulsverhältnis_p d_oh_o die Einschaltzeit gegenüber der Ausschaltzeit hängt von dem vom Sauerstoffsensor gelieferten Meßwert ab. Bei dem Impulsverhältnis, wie es in Fig. 5B gezeigt ist, bei welchem die Einschaltzeitdauer kleiner ist als die AusschaltZeitdauer, ergibt sich für die Änderung des Luft-Kraftstoffverhältnisses, wie es in Figo 5B mit III eingezeichnet ist₉ eine gegenüber der in Fig. 5A gezeigten die doppelte Impulsfrequenz_o Wenn eines der Ventile 8a

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und 8b sich im Einsehaltzustand befindet, ist das andere immer im Ausschaltzustand· Deshalb ist die Gesamtänderung des Luft-Kraftstoffverhältnisses nicht die Summe der Änderungen an den einzelnen Vergasereinheiten, wie es etwa bei dem in Fig. 5A gezeigten Zustand der Fall ist, vielmehr ist die Gesamtänderung nur so groß wie die Änderung an einem der beiden Vergasereinheiten· Dies bedeutet, daß die Gesamtänderung im Luft-Kraftstoffverhältnis gegenüber dem Beispiel nach Fig. 5-A. verringert ist_o

Wie bereits erwähnt, wird die Zeitverzögerung ^ t durch den Phasenschieber 30 so eingestellt, daß sie einem gewünschten Sollwert entspricht, was wiederum vom Impulsverhältnis, das von der Steuereinheit 7 eingestellt wird, abhängt.

Die Erfindung hat ihr bevorzugtes Anwendungsgebiet bei einem Verbrennungsmotor, der mit einem katalytischen Drei-Wege-Konverter in der Abgasleitung ausgerüstet ist, weil solche Konverter für optimales Arbeiten eine bestimmte und konstantzuhaltende Sauerstoffkonzentration im aufzubereitenden Abgas benötigen, was nur bei entsprechend konstant gehaltenem Luft-Kraftstoffverhältnis des angesaugten Gemische erzielt werden kann*

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Claims

PATENTANWÄLTE D-8 MÜNCHEN 22 ■ WIDENMAYERSTRASSE 48 D-1 BERLIN-DAHLEM 33 · PODBIELSKIALLEE 63 BERLIN: DIPL.-ΙΝβ. R. MÜLLER-BÖRNER MÜNCHEN: DIPL.-INS. HANS-HEINRICH WEY DIPL.-INS. EKKEHARD KÖRNER 28 456 TOYOTA JIDOSHA. KOGYO KABUSHIKI KAISHA Ai chi-ken / Japan Ansprüche

1.) Steuerungssystem für das Luft-Kraftstoffverhältnis bei einem Verbrennungsmotor mit einem Doppelvergaser, bei welchem jede Vergasereinheit eine Venturidüse enthält, deren Querschnitt in Abhängigkeit der pro Zeiteinheit angesaugten Luftmenge veränderbar ist, um die Menge des aus einer Hauptdüse der Vergasereinheit angesaugten Kraftstoffs zu verändern, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Vergasereinheit (4Oa,4Ob) eine Nebenluftleitung (17) stromaufwärts von der Hauptdüse (43) der Vergasereinheit angeordnet ist, die in die Hauptdüse (43) mundet und in welcher ein elektromagnetisch betätigbares Ventil (8a;8b) angeordnet ist, daß in der Abgasleitung (4) oder einer seiner Zweigleitungen ein Sauerstoffsensor (5) zum Peststellen der Sauerstoffkonzentration im Abgas angeordnet ist, welcher mit einer Steuereinheit (7) verbunden ist, in welcher der vom Sauerstoffsensor (5) abgegeben© Meßwert mit einem Sollwert verglichen wird und welche ©ine Impuls schwingung fester Frequenz erzeugt, di© dea elektromagnetisch betätigbaren Ventile». (Sa₉Sb) zvim Zwecke periodischen Öffnens und Sohließens

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MÜNCHEN: TELEFON (Ο89) 225535 BERLIN: TELEFON (O3O) 8312Ο88

KABEL: PROPlNDUS · TELEX 05 34244 KABEL: PROPINDUS · TELEX O1 84Ο57

zugeführt ist und deren linpulsverhältnis in Abhängigkeit von dem Vergleichsergebnis veränderbar ist, und daß zwischen dem einen elektromagnetisch betätigbaren Ventil (8b) und der Steuereinheit (7) ein Phasenschieber (3O) angeordnet ist.

2. Steuerungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenschieber (30) aus zwei, vorzugsweise integrierten, NAND-Schaltkreisen (IC₁,IC«) besteht, wobei der Ausgang des einen Schaltkreises (IC₁) über ein Verzögerungsglied (R,C) mit den Eingängen des anderen Schaltkreises (lC_) verbunden ist.

3· Steuerungssystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2 bei einem mit einem katalytischen Drei-Wege-Konverter in der Abgasleitung ausgerüsteten Verbrennungsmotor, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoffsensor (5) stromaufwärts vom Konverter (2) in der Abgasleitung (k) angeordnet ist.

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