DE2651340A1

DE2651340A1 - Zusatzluft-steuereinrichtung zur konstanthaltung eines luft-brennstoff- verhaeltnisses

Info

Publication number: DE2651340A1
Application number: DE19762651340
Authority: DE
Inventors: Tadashi Hattori; Takamichi Nakase; Hiroaki Yamaguchi
Original assignee: Nippon Soken Inc
Current assignee: Soken Inc
Priority date: 1975-11-11
Filing date: 1976-11-10
Publication date: 1977-05-18
Also published as: GB1547916A; US4077207A; DE2651340C2; JPS6014183B2; JPS5259225A

Description

Zusatzluft-Steuereinrichtung zur Konstanthaltung eines Luft-Brennstoff-Verhältnisses

Die Erfindung betrifft eine Zusatzluft-Steuereinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und bezieht sich insbesondere auf eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Zufuhr von Zusatzluft für eine Brennkraftmaschine, mittels der in geeigneter, zweckmäßiger V/eise eine Kompensation bzw. ein Ausgleich des Luft-Brennstoff-Verhältnisses des Gemisches erzielbar ist.

Zum Erreichen der maximalen Leistungsfähigkeit bzw. des maximalen Wirkungsgrades der bereits zur Steuerung der Abgasemission von Kraftfahrzeugen vorgeschlagenen modifizierten Brennkraftmaschinen oder zur Gewährleistung des optimalen Wirkungsgrades der Abgasreinigung des in Brennkraftmaschinen zum Zwecke der Abgasemiseionssteuerung

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enthaltenen Katalysators muß das Luft-Brennstoff-Verhältnis des der Brennkraftmaschine zugeführten Gemisches ständig genau gesteuert werden oder die dem katalytischen Konverter zugeführte Zusatzluftmenge muß genau überwacht und gesteuert werden.

Bei einer z.B. aus der US-PS 3 827 237 bekannten Steuereinrichtung der vorstehend erwähnten, bereits vorgeschlagenen Art, wird z.B. der Sauerstoffgehalt der Abgase von einem Gasmeßfühler zur Feststellung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses des Gemisches erfaßt una ein Steuerventil entsprechend dem Ausgangssignal des Gasmeßfühlers zur kontinuierlichen Steuerung der zur Korrektur zugeführten Zusatzluftmenge betätigt, um diese allmählich zu verkleinern oder zu vergrößern und dadurch eine Rückkopplungssteuerung bzw. Regelung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses des Gemisches zu erzielen.

Bei dieser Art der Steuereinrichtung wird im allgemeinen ein Motor zur Betätigung des Steuerventils verwendet, und das zeitliche Änderungsmaß oder Änderungsverhältnis des derart gesteuerten Luft-Brennstoff-Verhältnisses hängt von dem Änderungsmaß oder dem Änderungsverhältnis des Durchlaßbereiches bzw. Durchlaßquerschnittes für den Zusatzluftdurchfluß ab, der von dem Motor gesteuert wird. Die Steuerung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses erfolgt daher durch Voreinstellung der Antriebsgeschwindigkeit des Motors auf die Optimalgeschwindigkeit, so daß der Steuerbereich des Luft-Brennstoff-Verhältnisses sowohl im stationären oder eingeschwungenen Dauerzustand als auch bei Übergangszuständen minimal gehalten wird.

Die herkömmliche Steuereinrichtung dieser Art ist jedoch insofern nachteilig, als ein Integral-Regelungssystem

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Verwendung findet, das das Luft-Brennstoff-Verhältnis kontinuierlich steuert, und daruberhinaus die Auswirkungen anderer Paktoren keine praktische Berücksichtigung erfahren, so daß auch dann, wenn die Antriebsgeschwindigkeit, wie bereits erwähnt, auf den Optimalwert voreingestellt ist, sich das Luft-Brennstoff-Verhältnis aufgrund der fest voreingestellten Antriebsgeschwindigkeit unter dem Einfluß eines Faktors wie z.B. einer Verzögerungszeit zwischen dem Auftreten einer Änderung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses des Ansaugsystems und demjenigen Zeitpunkt, zu dem der Gasmeßfühler die Änderung in dem Auslaßsystem erfaßt, beträchtlich ändert und somit eine zufriedenstellende Steuerung des Luft-Brennstoff -Verhältnisses nicht gewährleistet ist.

Insbesondere erhöht sich die Verzögerungszeit bei geringer Belastung im niedrigen Drehzahlbereich, bei dem die Ansaugluftmenge gering ist, wodurch ein Nacheilen oder ein Nachlaufphänomen verursacht wird und dadurch eine volle Ausnutzung der Reinigungseigenschaften des Katalysators nicht gewährleistet ist, wobei daruberhinaus Schwankungen und Rüttelerscheinungen beim Fahren des Fahrzeuges mit der Folge einer Verschlechterung des Fahrverhaltens auftreten bzw. verursacht werden. Es ist somit ersichtlich, daß eine Steuer- oder Regeleinrichtung dieser Art noch einiger Verbesserungen bedarf.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Zusatzluft-Steuereinrichtung zu schaffen, mittels der unter Vermeidung der genannten Nachteile des Standes der Technik eine zufriedenstellende Steuerung der Zufuhr der Zusatzluftmenge sowohl im stationären Zustand als auch bei Übergangszuständen erzielbar ist, so daß beispielsweise der Steuer- oder Regelbereich des Luft-Brennstoff-Verhältnisses ständig klein gehalten wird und somit das

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Luft-Brennstoff-Verhältnis des Gemisches konstant bleibt.

Ferner soll eine Zusatzluft-Steuereinrichtung geschaffen werden, bei der entweder die Antriebszeitdauer oder die Ruhezeitdauer eines Steuerventils entsprechend einem Verzögerungsfaktor (z.B. entsprechend der Ansaugluftmenge, der Drehzahl der Brennkraftmaschine, dem Vakuum in der Ansaugleitung, dem Vakuum im Venturi-Abschnitt, oder dergleichen) steuerbar ist, während die jeweils andere Zeitdauer festgelegt bzw. konstant ist, so daß mit einer einfachen Konstruktion bzw. einem einfachen Aufbau sämtliche Kachteile und Unannehmlichkeiten aufgrund des Auftretens des Verzögerungszeitfaktors beseitigt werden können und eine zufriedenstellendere Steuerung des Zusatzluftdurchflusses gewährleistet ist, wodurch die Eigenschaften des Katalysators voll ausgenutzt werden können und das Auftreten jeglicher Drehzahlschwankungen oder Rüttelerscheinungen bei geringer Belastung im niedrigen Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine verhindert wird und dadurch ein verbessertes Fahrverhalten erzielbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Mittel gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens angegeben.

Die erfindungsgemäße Steuereinrichtung weist somit neben anderen Vorzügen insbesondere den Vorteil auf, daß entweder die Betriebs- bzw. Laufzeit oder die Stillstandszeit eines Schrittmotors entsprechend dem Verzögerungszeitfaktor variiert wird, während die jeweils andere Zeitdauer festgelegt ist bzw. konstant gehalten wird, wodurch der Aufbau der Steuereinrichtung wesentlich vereinfacht wird.

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Eine Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 In schematischer Darstellung den Gesamtaufbau einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 ein Blockschaltbild der elektronischen Steuereinheit gemäß Fig. 1,

Fig. 3 einen Schaltplan der elektronischen Steuereinheit gemäß Fig. 1,

Fig. i| einen Signal- oder Impulsplan zur Veranschaulichung der Wirkungsweise der elektronischen Steuereinheit,

Fig. 5a Signal- oder Impulspläne zur Veranschaulichung der Wirkungsweise des reversiblen Schieberegisters gemäß Fig. 3*

Fig. 6 ein Schaubild, das die Beziehung zwischen der Ansaugluftmenge und der Verzögerungszeit veranschaulicht,

Fig. 7 ein Schaubild, das die Wirkungsweise der Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 1 veranschaulicht, und

Fig. 8 ein Schaubild, das die Ausgangskennlinie des Gasmeßfühlers gemäß Fig. 1 veranschaulicht.

Gemäß Fig. 1, in der das gesamte erfindungsgemäße System schematisch dargestellt ist, ist die mit der Bezugszahl 1

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bezeichnete Brennkraftmaschine ein üblicher Viertakt-Ottomotor, dem mittels eines Vergasers 2 über eine Ansaugleitung 3 ein Luft-Brennstoffgemisch zugeführt wird. Der mit einem Hauptdurchlaß ausgestattete Vergaser 2 weist die übliche Bauart auf und ist derart eingestellt, daß er ein Luft-Brennstoffgemisch bildet, welches, verglichen mit dem von der Brennkraftmaschine 1 benötigten Luft-Brennstoff-Verhältnis, ein wenig angereichert oder fett ist.

Das Auslaßsystem der Brennkraftmaschine 1 weist eine Auslaßleitung Jx und einen katalytischen Dreiweg-Konverter 5 auf, wobei in der Auslaßleitung Ix ein Gasmeßfühler 6 angebracht ist, der durch Verwendung eines Metalloxyds wie Zirkondioxyd oder Titandioxyd den Anteil oder Gehalt an Sauerstoff in den Abgasen feststellt. Wenn z.B. Zirkondioxyd in dem Gasmeßfühler 6 verwendet wird, was in Fig. 8 dargestellt ist, arbeitet der Gasmeßfühler 6 im Bereich des stöchiometrischen Luft-Brennstoff-Verhältnisses, so daß er bei Erfassung eines im Vergleich zu dem stöchiometrischen Wert 1 fetten oder angereicherten (kleinen) Luft-Brennstoff-Verhältnisses eine zwischen 80 mV und 100 mV liegende EMK oder Ausgangsspannung abgibt, während die sich ergebende EMK oder Ausgangsspannung bei Erfassung eines im Vergleich zu dem stöchiometrischen Wert 1 mageren (großen) Luft-Brennstoff-Verhältnisses in der Größenordnung von 10 mV bis 0 mV liegt. Eine elektronische Steuereinheit 7 spricht auf die Signale des Gasmeßfühlers 6 usw. an und treibt einen Vierphasen-Schrittmotor 8 in einer ausgewählten Richtung an. Der Schrittmotor 8 betätigt ein Steuerventil 10, das in einem Zusatzluftdurchlaß oder Nebendurehlaß 9 zu dessen Verschließen und Öffnen angebracht ist, wobei die Antriebswelle des Schrittmotors 8 mit dem Steuerventil 10 verbunden ist. Das Steuerventil 10 ist ein bekanntes

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Drosselklappenventil, dem ein Stellungsschalter 11 für die vollständig geschlossene Stellung des Ventils zugeordnet ist, so daß, wenn das Steuerventil 10 die vollständig geschlossene Stellung einnimmt, dieser Zustand erfaßt und ein die geschlossene Stellung bezeichnendes Positionssignal abgegeben und der Steuereinheit 7 zugeführt wird.

Ein Drosselventil 12 ist in dem unterstromigen Teil des Vergasers 2 angeordnet, während der oberstromige Teil des Vergasers 2 einen Luftfilter 13 und ein Luft-Durchflußmengenmeßgerät Hj., das die die Verzögerungs zeit feststellende Einrichtung darstellt, aufweist. Der Zusatzluftdurchlaß 9 ist derart ausgebildet und angeordnet, daß er den Luftfilter 13 mit der unterstromigen Seite des Drosselventils 12 verbindet.

Das Luft-Durchflußmengenmeßgerät H4. mißt mittels einer drehbar angebrachten Meßklappe 1ij.a direkt die durch das Einlaß- oder Ansaugrohr strömende Luft-Durchflußmenge, wobei der Betrag der Bewegung der Klappe 1lfa mittels eines Potentiometers 1i;b in ein elektrisches Signal umgesetzt und auf diese Weise die Ansaugluftmenge erfaßt wird. Der Ausgangs ans chluß des Potentiometers Il+b ist mit der Steuereinheit 7 elektrisch verbunden.

Wie Fig. 6 zu entnehmen ist, steht in diesem Falle die Ansaugluft-Durchflußmenge in einer Funktionsbeziehung zu der Verzögerungszeit, die einer Zeitdauer zwischen dem Auftreten einer Änderung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses und dem Erfassen dieser Veränderung in dem Auslaßsystem durch den Gasmeßfühler entspricht, so daß die Ansaugluft-Durchflußmenge einen der Verzögerungszeit entsprechenden Verzögerungszeitfaktor darstellt.

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Im folgenden soll die Steuereinheit 7 unter Bezugnahme auf das Blockschaltbild gemäß Fig. 2 beschrieben werden. Die Steuereinheit 7 erhält als Eingangssignale das Ausgangssignal des G-asmeßfühlers 6, das Ausgangs signal des Luft-Durchflußmengenmeßgerätes 1l^ zur Messung der dem Verzögerungszeitfaktor entsprechenden Ansaugluftmenge sowie das Ausgangssignal des die vollständig geschlossene Stellung des Steuerventils 10 feststellenden Stellungsschalters 11, und umfaßt eine Vergleichsschaltung 7a, eine den Luftdurchfluß feststellende Meßschaltung 7b, eine Oszillatorschaltung 7c, eine Zeitsteuerschaltung 7d, eine Befehlsschaltung 7e, ein reversibles Schieberegister 7f und einen Schalterkreis 7g, mit deren Hilfe der Schrittmotor 8 entsprechend den EingangsSignalen betrieben bzw. gesteuert wird.

Im Prinzip wird somit bei dieser Anordnung das in dem Vergaser 2 gebildete Luft-Brennstoffgemisch in den Verbrennungskammern der Brennkraftmaschine 1 verbrannt, woraufhin jede Änderung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses im Auslaßsystem durch den Gasmeßfühler 6 erfaßt wird, dessen Ausgangssignal wiederum der Vergleichsschaltung 7a zugeführt wird, mittels der festgestellt wird, ob das Luft-Brennstoff-Verhältnis, verglichen mit dem zu steuernden vorgegebenen oder voreingestellten Luft-Brennstoff-Verhältnis (bei dieser Ausführungsform der Erfindung dem stöchiometrischen Luft-Brennstoff-Verhältnis), fett oder mager ist, so daß bei einem fetten Luft-Brennstoff-Verhältnis der Schrittmotor 8 das in dem Zusatzluftdurchlaß 9 angebrachte Steuerventil 10 in der Öffnungsrichtung des Ventils bewegt, während bei einem mageren Luft-Brennstoff-Verhältnis das Steuerventil 10 in der Schließrichtung des Ventiles bex^egt wird, wodurch das Luft-Brennstoff-Verhältnis zur Erreichung des vorgegebenen oder voreingestellten Luft-Brennstoff-Verhältnisses mittels der Zusatzluft, die der unterstromigen Seite des Drosselventils 12

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In diesem Falle legt die Zeitsteuerschaltung 7d die Betriebszeiten und Stillstandszeiten des Schrittmotors 8 entsprechend dem Signal des Luft-Durchflußmengenmeßgerätes Hj. fest, so daß die Betriebszeiten und Stillstandszeiten des Schrittmotors 8 abwechselnd und intermittierend in einer sprungartigen Weise über die Befehlsschaltung 7e, das reversible Schieberegister 7f und den Schalterkreis 7g gesteuert werden und der Steuerbereich des Luft-Brennstoff-Verhältnisses zur Erreichung des vorgegebenen oder voreingestellten Luft-Brennstoff-Verhältnisses verkleinert wird.

Im folgenden soll die Steuereinheit 7 unter Bezugnahme auf die Fig. 3 bis 7 im einzelnen beschrieben werden. Die Vergleichsschaltung 7a weist einen Eingangswiderstand 101, Spannungsteilerwiderstände 102 und 103 sowie einen Differenz-Operationsverstärker 1OLj. auf, wobei der nichtinvertierende Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 1Olj. über den Eingangswiderstand 101 mit dem Gasmeßfühler 6 verbunden ist, während sein invertierender Eingangsanschluß mit dem Spannungsteilerpunkt der Teilerwiderstände 102 und IO3 verbunden ist. Die Vergleichsschaltung 7a vergleicht somit ihre Eingangsspannung mit einer von den Spannungsteilerwiderständen 102 und 103 vorgegebenen Spannung (d.h., mit einer Spannung, die praktisch gleich der von dem Gasmeßfühler 6 bei dem stöchiometrischen Luft-Brennstoff-Verhältnis abgegebenen EMK oder Ausgangsspannung ist), so daß ein Signal des Wertes "1" an ihrem Ausgangsanschluß A abgegeben wird, wenn die Eingangsspannung höher als die vorgegebene Spannung ist bzw. das Luft-Brennstoff-Verhältnis fetter als der stöchiometrische Wert 1 ist, während ein Signal des Wertes "0" an dem Ausgangsanschluß A abgegeben wird, wenn

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die Eingangsspannung niedriger als die vorgegebene Spannung ist bzw. das Luft-Brennstoff-Verhältnis magerer als der stöchiometrische Wert 1 ist.

Die Luftdurchfluß-Meßschaltung 7b besteht aus einer Emitterfolgerschaltung, die einen Transistor 105 und einen Emitterwiderstand 106 aufweist, wobei die Basis des Transistors 105 mit dem variablen Abgriff B des Potentiometers 1lj.b des Luft-Durchflußmengenmeßgeräte s 1ί|_ verbunden ist. Auf diese Weise wird die Potentialdifferenz zwischen dem variablen Abgriff B und einem festen Anschluß B', die der Ansaugluftmenge umgekehrt proportional ist, erfaßt und als Signal der ZeitSteuerschaltung 7d zugeführt.

Die Oszillatorschaltung 7c besteht aus einem astabilen Multivibrator, der NAND-Glieder 107 und 108 mit Mehrfach-Anschlüssen sowie Kondensatoren 109 und 110 aufweist und Impulse zum Antrieb des Schrittmotors 8 erzeugt. Die Frequenz dieser Antriebsimpulse ist auf den Optimalwert eingestellt, so daß der Steuerbereich des Luft-Brennstoff-Verhältnisses bei Übergangszuständen verringert ist, um den Schrittmotor 8 sprungartig anzutreiben, und das am Ausgangsanschluß C der Oszillatorschaltung 7c abgegebene Ausgangssignal besteht aus Impulsen mit einem Tastverhältnis von 1 zu 1, wie dies in den Fig. 5A und %B unter (a) und (b) dargestellt ist.

Die Zeitsteuerschaltung 7d umfaßt einen ersten Triggerschaltkreis 7d., der Kondensatoren 201 und 207, Widerstände 202, 203 und 208, Dioden 205, 206 und 209 sowie einen Transistor 20[|_ aufweist, einen ersten monostabilen Schaltkreis 7d₂, der Widerstände 210, 212, 21 k» 216, und 219, Kondensatoren 211 und 215, Transistoren 213 und 218 sowie eine Diode 2i|_1 aufweist, einen zweiten

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Triggerschaltkreis 7d-,, der einen Widerstand 220, einen Kondensator 221 und eine Diode 222 aufweist, einen Ladeschartkreis 7d. , der Widerstände 223, 225 und 227, eine Zenerdiode 226 sowie Transistoren 22i; und 228 aufweist, einen Entladeschaltkreis 7d^, der Widerstände 238 una 239 sowie einen Transistor 2J4.O aufweist, und einen zweiten monostabilen Schaltkreis 7d/, der Widerstände 229, 230, 233 und 236, einen Kondensator 231;, Dioden 232 und 235 sowie Transistoren 23I und 237 aufweist, und spricht auf das Signal der Luftdurchfluß-Meßschaltung 7b zur Erzeugung eines Impulssignals an, dessen Impulsbreite oder Impulsdauer T" sich entsprechend der Ansaugluftmenge

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ändert, wie dies unter (I) in Fig. l\. dargestellt ist.

Wenn ein Zündschalter KS geschlossen wird, so daß die Verbindung zu einer Gleichstromquelle Ba hergestellt wird, wird direkt nach dem Herstellen der Verbindung mit der Gleichstromquelle Ba der Transistor 2Oi; des ersten Trig gerschaltkr^ises 7d,. durchgeschaltet und seine Kollektorspannung fällt auf annähernd 0 Volt ab. Dementsprechend wird das Basispotential des Transistors 218 des ersten monostabilen Schaltkreises 7dp verringert, was dazu führt, daß der Transistor 218 sperrt und dieser Sperrzustand für die Dauer einer Zeit aufrecht erhalten wird, die von dem Kondensator 211 und dem Widerstand 212 bestimmt wird, d.h., während der Zeit TT , die unter (E) in Fig. 1; ver-

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anschaulicht ist, wobei unter (E) in Fig. i; das Spannungssignal an einem Anschluß E dargestellt ist. Das am Kollektor des Transistors 218 anstehende Ausgangssignal des ersten monostabilen Schaltkreises 7d_? nimmt somit für die Dauer dieses bestimmten bzw. festgelegten Zeitabschnittes den Wert "1" an, und dieses Signal des V/ertes "1 " schaltet wiederum beide Transistoren 221+ und 228 des Ladeschaltkreises "Jd, durch. Dementsprechend fließt während einer bestimmten Zeitdauer ein von der Zenerdiode 226 bestimmter

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Konstantstrom von dem Ladeschaltkreis 7d, über eine Leitung L. zu dem zweiten monostabilen Schaltkreis 7d/-. In dem zweiten monostabilen Schaltkreis 7d/ wird somit der Kondensator 23h- durch diesen Konstantstrom aufgeladen, so daß die sich ergebende Aufladungsspannung an seinem Anschluß P ansteigt, wie dies unter (F) in Fig. I4. dargestellt ist. Während dieses Zeitintervalles führt der Entladeschaltkreis 7d^ dem zweiten monostabilen Schaltkreis 7d/ einen Strom zu, der von dem Potentiometer 1lj.b des Luft-Durchflußmengenmeßgerätes M± bestimmt und der Ansaugluftmenge umgekehrt proportional ist, so daß der Transistor 23I über die Diode 232 des zweiten monostabilen Schaltkreises 7d,- durchgeschaltet wird. Wenn die festgelegte Zeitdauer abläuft, so daß der Transistor 20lj. des ersten Triggerschaltkreises 7d. sperrt und der Transistor 218 des ersten monostabilen Schaltkreises 7d„ durchgeschaltet wird, nimmt der Ausgangsimpuls des ersten monostabilen Schaltkreises 7d„ den Wert "0" an, wie dies unter (D) in Fig. I4. dargestellt ist, so daß die Transistoren 22[|_ und 228 des Ladeschaltkreises 7di augenblicklich sperren und die Aufladung des Kondensators 23I4. beendet wird.

Gleichzeitig gibt der zweite Triggerschaltkreis 7d-, an seinem Anschluß J ein negatives Triggersignal ab, das unter (J) in Fig. I4. dargestellt ist, wodurch der Transistor 231 über die Diode 222 gesperrt wird. Wenn dies eintritt, geht das Ausgangssignal der Zeitsteuerschaltung 7d an deren Ausgangsanschluß I, das am Kollektor 231 erhalten wird, von dem Wert "0" auf den Wert "1" über.

Wenn das Ausgangssignal des Transistors 23I seinen Zustand ändert, wird der Transistor 237 durchgeschaltet und das Potential am Kondensator 23J4. nimmt rasch ab.

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Die in dem Kondensator 23k- gespeicherte Ladung entlädt sich somit in Form des der Ansaugluftmenge entsprechenden Entladungsströmes, woraufhin das Entladungspotential an einem Anschluß G des Kondensators 23U- ansteigt, wie dies unter (G) in Pig. U. dargestellt ist, so daß der Transistor 231 wieder durchgeschaltet wird und dadurch das Ausgangssignal der Zeitsteuerschaltung 7d von dem Wert "1" auf den Wert "0" übergeht.

Wenn der Transistor 231 wieder durchgeschaltet ist, nimmt seine Kollektorspannung wieder annähernd den Wert 0 Volt an, was dazu führt, daß der Transistor 218 des ersten monostabilen Schaltkreises 7dp wiederum über die Diode gesperrt wird, usw., worauf sich der vorstehend beschriebene Vorgang wiederholt.

Während derjenigen Zeit, in der der Transistor 231 sperrt, wird somit das Ausgangssignal der Zeitsteuerschaltung 7d auf dem Wert "1" gehalten, wodurch ein Stop- oder Halteimpulssignal mit einer Impulsbreite oder Impulsdauer T", gebildet wird, wie dies unter (I) in Fig. Ι± veranschaulicht ist, wobei diese Stop- oder Halteimpulsdauer ⁰Z", proportional der Ansaugluftmenge ist, wie bereits vorstehend erläutert.

Der die vollständig geschlossene Stellung des Steuerventils 10 erfassende Stellungsschalter 11 besteht aus einem Widerstand 11a und einem Schalter 11b, so daß, wenn das Steuerventil 10 die vollständig geschlossene Stellung einnimmt, der Schalter 111 b geschlossen ist und das Ausgangssignal an seinem Ausgangsanschluß L den Wert "0" annimmt.

Die Ausgangssignale der Vergleichsschaltung 7a, der Oszillatorschaltung 7c, der Zeitsteuerschaltung 7d und des Stellungsschalters 11 werden der Befehlsschaltung 7e

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zugeführt, wodurch Vorwärts-, Rückwärts- und Haltesignale für den Schrittmotor 8 erzeugt werden.

Die Befehlsschaltung 7e weist einen Inverter 150, NAND-Glieder 151 und 152 sowie ein NOR-Glied 153 auf und bildet eine logische Steuerschaltung für den Schrittmotor

Die von der Oszillatorschaltung 7c erzeugten und in den Fig. 5a und SB dargestellten Impulssignale für den Antrieb des Schrittmotors werden dem NOR-Glied 153 der Befehls schaltung 7e zugeführt, wobei das NOR-Glied 153 außerdem das unter (I) in Fig. I4. dargestellte Ausgangsimpulssignal der Zeitsteuerschaltung 7d erhält, dessen Impulsdauer ^ccT', entsprechend dem Signal des Luft-Durchflußmengenmeßgerätes 1!|_ geändert wird ( ^ ist festge-

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legt bzw. unveränderlich). Somit gibt das NOR-Glied 153 lediglich während derjenigen Zeit, während der das Impulssignal der Zeitsteuerschaltung 7d den Wert "0" aufweist (d.h., während der Zeit °ϊΓ ), an seinem Ausgang die Impulssignale für den Antrieb des Schrittmotors der Oszillatorschaltung 7c ab und führt die Impulse den NAND-Gliedern 151 bzw. 152 zu.

Das NAND-Glied 151 weist drei Eingangsanschlüsse auf, denen jeweils die Signale des NOR-Gliedes 153» das Signal des die vollständig geschlossene Stellung des Steuerventils 10 feststellenden Stellungsschalters 11 sowie über den Inverter 150 das Signal der Vergleichsschaltung 7a zugeführt werden. Das NAND-Glied 152 weist zwei Eingangs anschlüsse auf, so daß das Signal der Vergleichsschaltung 7a direkt dem NAND-Glied 152 zusätzlich zu den ImpulsSignalen des NOR-Gliedes 153 zugeführt wird.

Somit werden nur dann, wenn das Ausgangssignal des die vollständig geschlossene Stellung des Steuerventils 10

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feststellenden Stellungsschalters 11 den Wert "1" aufweist, so daß das Steuerventil 10 nicht die vollständig geschlossene Stellung einnimmt, und das Ausgangssignal der Vergleichsschaltung 7a den Wert "0" aufweist, was anzeigt, daß das Luft-Brennstoff-Verhältnis des Gemisches groß (mager) ist, die Impulssignale des NOR-Gliedes 153 invertiert, als Ausgangssignale des NAND-Gliedes 151 abgegeben und intermittierend einem Eingangsanschluß 0 des reversiblen Schieberegisters 7f zugeführt, wie dies unter (N) in Fig. i|_ dargestellt ist.

Andererseits v/erden nur dann, wenn das Ausgangs signal der Vergleichsschaltung 7a den Wert "1" aufweist und das Luft-Brennstoff-Verhältnis des Gemisches klein (fett) ist, die Impulssignale des NOR-Gliedes 153 invertiert, als Ausgangssignale des NAND-Gliedes 152 abgegeben und intermittierend einem Eingangsanschluß P des reversiblen Schieberegisters 7f zugeführt, wie dies ebenfalls unter (N) in Fig. l± veranschaulicht ist. Bei dem reversiblen Schieberegister 7f, das als Eingangssignale die Ausgangssignale der NAND-Glieder 151 bzw. 152 erhält, werden die Ausgangsanschlüsse δ., δ_?, δ^ und δ, aufeinanderfolgend weitergeschaltet, wie dies in Fig. 5>A dargestellt ist, wenn die Impulssignale dem Eingangsanschluß P zugeführt werden. Werden dagegen die Impulssignale dem Eingangsanschluß 0 zugeführt, so werden die Ausgangsanschlüsse δ, , δ.,, δρ und Ö. in dieser Reihenfolge aufeinanderfolgend weitergeschaltet, wie dies Fig. 5B zu entnehmen ist. Die Ausgangsanschlüsse O^, O₂, Ö_. und Ö, sind sämtlich mit dem Schalterkreis 7g verbunden, der wiederum mit Feldspulen C., Cp, C, und C, des Schrittmotors 8 verbunden ist und Widerstände 160, 161, 162 und I63, Transistoren I6I4., 165, 166 und I67 sowie eine Gegen-EMK auffangende Dioden 168, I69, 170 und 171 aufweist. Wenn die Impulssignale dem Eingangsanschluß P des reversiblen

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Schieberegisters 7f zugeführt werden, werden somit die Transistoren I6I4., 165, 166 und 167 aufeinanderfolgend durchgeschaltet, wodurch die Feldspulen C^, C₂, C^ und C, des Vierphasen-Schrittmotors 8 in ähnlicher Weise gleichzeitig zweiphasig erregt werden und dadurch der Rotor des Schrittmotors 8 in Richtung des Pfeiles gemäß Fig. 3 gedreht wird, wodurch wiederum dem Steuerventil 10 in der Öffnungsrichtung des Ventils eine Drehbewegung erteilt wird. Wenn andererseits die Impulssignale dem Eingangsanschluß 0 zugeführt werden, wird der Rotor des Schrittmotors 8 in einer zu der Richtung des Pfeiles in Fig. 3 entgegengesetzten Richtung gedreht, so daß dem Steuerventil 10 eine Drehbewegung in der Schließrichtung des Ventils erteilt wird.

Indem die vorgegebene Zeitdauer ^ZT als Lauf- oder Betriebszeit und die entsprechend dem von dem Luft-Durchflußmengenmeßgerät 11j. abgegebenen Signal veränderliche Zeitdauer ¹^T , als Stillstandszeit verwendet werden, erfolgen Bewegung und Stillstand des Schrittmotors 8 intermittierend, wobei dieser Betriebsvorgang wiederholt durchgeführt wird, wodurch der Zusatzluftdurchfluß entsprechend der Ansaugluftmenge, die den Verzögerungszeitfaktor des Systems darstellt, eingestellt wird.

Im allgemeinen besteht eine umgekehrt proportionale Beziehung zwischen der Ansaugluftmenge und der Systemverzögerungszeit, wie dies durch die Kurve gemäß Fig. 6 veranschaulicht ist, und diese Beziehung soll im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 7 erläutert werden, wobei angenommen wird, daß eine Verzögerungszeit t, einem Ansaugluftdurchfluß I und eine Verzögerungszeit t~ einem Ansaugluftdurchfluß II entspricht.

Wie Fig. 7 zu entnehmen ist, kann, wenn die Antriebsfrequenz des Schrittmotors gemäß der herkömmlichen, ein

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kontinuierliches Steuer- oder Regelsystem verwendenden Einrichtung unveränderlich, festgelegt ist und z.B. das Luft-Brennstoff-Verhältnis des Gemisches in der Ansaugleitung 3 größer als das vorgegebene oder voreingestellte Luft-Brennstoff-Verhältnis wird (bei dieser Ausführungsform der Erfindung das stöchiometrische Luft-Brennstoff-Verhältnis mit dem überhöhten bzw. Überschuß-Luftfaktor λ. von 1), so daß das Gemisch mager wird, der Gasmeßfühler während der Verzögerungszeit t^ oder t^ in der Auslaßleitung Ιμ nicht den Umstand feststellen, daß das Luft-Brennstoff-Verhältnis des Gemisches das vorgegebene oder voreingestellte Luft-Brennstoff-Verhältnis überschritten hat, und die Zusatzluftmenge wird kontinuierlich vergrößert, wie dies durch die gestrichelten Linien III und III'in Fig. 7 veranschaulicht ist, so daß das Luft-Brennstoff -Verhältnis in beträchtlichem Umfang variiert und der ^teuerbereich des Luft-Brennstoff-Verhältnisses vergrößert wird, wodurch die Einstellung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses des Gemisches auf den vorgegebenen Wert des Luft-Brennstoff-Verhältnisses verzögert wird. Insbesondere wird im Falle der kleineren Ansaugluftmenge II die Systemverzögerungszeit t₂ entsprechend vergrößert, so daß die Zusatzluftmenge derart gesteuert wird, wie dies durch die ausgezogene Linie III' dargestellt ist und somit das Luft-Brennstoff-Verhältnis in einem größeren Umfang verändert wird.

Demgegenüber wird bei der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung der Schrittmotor 8 lediglich während der vorgegebenen Zeitdauer ^V betätigt und befindet sich lediglieh während der Zeitdauer ⁰ZT^ im Stillstand, wobei dieser Betriebsablauf wiederholt durchgeführt wird, mit dem Ergebnis, daß die Zusatzluftmenge intermittierend erhöht wird, wie dies durch die gestrichelte Linie I oder II in Fig. 7 dargestellt ist, wobei die Zusatzluft der Ansaugleitung 3 über das Steuerventil 10 zugeführt wird.

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Dementsprechend wird der Steuerbereich des Luft-Brennstoff -Verhältnisses des Gemisches klein gehalten.

Außerdem wird bei der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung, wenn die Ansaugluftmenge z.B. während einer Beschleunigungsperiode der Brennkraftmaschine 1 erhöht wird, wie dies unter I in Fig. 6 dargestellt ist, die Stillstandszeit ^, des Schrittmotors 8 auf den Wert £-,,. umgekehrt proportional zu der Ansaugluftmenge zur Erzielung eines sprungartigen Antriebs verringert, mit dem Ergebnis, daß die Steuergeschwindigkeit als Ganzes ebenfalls erhöht wird, wie dies durch die gestrichelte Linie I in Fig. 7 veranschaulicht ist, und daß das Luft-Brennstoff -Verhältnis des Gemisches schnell auf den vorgegebenen Wert des Luft-Brennstoff-Verhältnisses eingestellt wird. Wenn andererseits die Ansaugluftmenge z.B. im stationären oder eingeschwungenen Betriebszustand relativ klein ist, wie dies bei II in Fig. 6 dargestellt ist, wird die Stillstandszeit ^C auf den Wert ο

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in umgekehrter Proportion zu der Ansaugluftmenge erhöht, wie dies durch die gestrichelte Linie II in Fig. 7 dargestellt ist, mit dem Ergebnis, daß die Systemverzögerungszeit auf den Wert t~ ansteigt und die Steuergeschwindigkeit als Ganzes entsprechend verringert wird, obwohl der Schrittmotor sprungartig angetrieben wird, wodurch jede übermäßige Zufuhr von Zusatzluft verhindert und dadurch der Steuerbereich des Luft-Brennstoff-Verhältnisses zur Erzielung einer schnellen Einstellung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses des Gemisches auf den vorgegebenen Wert des Luft-Brennstoff-Verhältnisses klein gehalten wird.

Es sei erwähnt, daß die Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebene Ausführungsform beschränkt ist. Obwohl die Erfindung beispielsweise als Zusatzluft-Steuereinrichtung zur Einstellung des Luft-Brennstoff-

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Verhältnisses des in einem Vergaser gebildeten Gemisches beschrieben worden ist, kann die erfindungsgertiäße Steuereinrichtung auch zur Kompensation oder zum Ausgleich der Durchflußrate in mechanisch gesteuerten Brennstoff-Einspritzsystemen verwendet werden.

Außerdem kann die erfindungsgemäße Steuereinrichtung zusätzlich zu der Steuerung des Luftdurchflusses in dem Einlaß- oder Ansaugsystem der Brennkraftmaschine auch zur Steuerung des Luftdurchflusses in dem Auslaßsystem, wie etwa zur Steuerung des Zusatzluftdurchflusses für den Katalysator, dienen bzw. diesem Zweck angepaßt werden.

Ferner können anstelle des bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform der Erfindung verwendeten Schrittmotors beliebige Gleichstrom- und V/echs eis trommotoren als Antriebseinrichtung Verwendung finden, und darüberhinaus können beliebige mechanische Betätigungselemente gleichermaßen zusätzlich zu den elektrischen Betätigungsoder Stellelementen verwendet werden.

Auch können anstelle des Luft-Durchflußmengenmeßgerätes als die Verzögerung feststellende Einrichtung Meßfühler oder Meßwertgeber zur Erfassung solcher Verzögerungszeitfaktoren, wie etwa des Vakuums in der Ansaugleitung, der Drehzahl der Brennkraftmaschine, des Vakuums im Venturiabschnitt, der Stellung des Drosselventils, usw. verwendet werden.

Erfindungsgemäß wird somit eine vorteilhafte Zusatzluft-Steuer einrichtung zur Konstanthaltung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses in einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen, bei der eine über einen Hebendurchlaß oder Umgehungsdurchlaß der Brennkraftmaschine zusätzlich zugeführte Ansaugluftmenge gesteuert wird, indem die Bewegung eines

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mit einem in dem Nebendurchlaß oder Umgehungsdurchlaß angebrachten Steuerventil verbundenen Antriebsmotors gesteuert wird. Außerdem sind ein Gasmeßfühler zur Erfassung des Sauerstoffgehaltes der Abgase und ein Ansaugluft-Durchflußmengenmeßgerät zur Messung der Durchflußrate der Ansaugluft zu der Brennkraftmaschine vorgesehen. Entsprechend einem Signal des Gasmeßfühlers sowie einem einen Verzögerungszeitfaktor darstellenden Ansaugluft-Durchflußsignal des Ansaugluft-Durchflußmengenmeßgerätes wird der Antriebsmotor derart gesteuert, daß er sich abwechselnd und sprungartig entweder im Stillstand befindet oder in der Öffnungsrichtung oder Schließrichtung des Steuerventils bewegt, wobei eine Stxllstandsperiode oder Ruheperiode des Antriebsmotors umgekehrt proportional zu der Durchflußrate der Ansaugluft festgelegt ist und eine auf die Stillstandsperiode folgende Antriebs- oder Bewegungsperiode auf eine fest vorgegebene Zeitdauer eingestellt ist, so daß ein Luft-Brennstoff -Verhältnis auf einem konstanten Wert gehalten wird und die Abgasemission gesteuert wird.

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Claims

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Patentansprüche

( 1./ Zusatzluft-Steuereinrichtung für eine Brennkraftma^v""' schine mit einem Ansaugsystem, einem Auslaßsystem und einer Abgas-Reinigungseinrichtung, gekennzeichnet durch eine mit dem Ansaugsystem (3) der Brennkraftmaschine (1 ) verbundene Einrichtung (2) zur Zuführung eines Luft-3rennstoffgemisches, die einen Durchlaß für ein im wesentlichen angereichertes oder fettes Luft-Brennstoffgemisch aufweist, welcher mit einem Drosselventil (12) zur Steuerung einer Luft-Durchflußmenge versehen ist, durch eine Einrichtung (9), die einen Luftdurchlaß zur Zufuhr von Zusatzluft zu der Brennkraftmaschine (1 ) bildet, durch ein in dem Zusatzluftdurchlaß (9) angebrachtes Steuerventil (10) zur Steuerung der hindurchfließenden Zusatzluftmenge, durch eine mit dem Steuerventil (10) verbundene Antriebseinrichtung (8) zum Antrieb des Steuerventils (10) in der Öffnungsrichtung und der Schließrichtung des Ventils, durch eine in dem Auslaßsystem (Ij.) der Brennkraftmaschine (1) angebrachte

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ORIGINAL INSPECTED

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Gasmeßfühlereinrichtung (6) zur Erzeugung eines der Zusammensetzung der durch das Auslaßsystem strömenden Abgase entsprechenden Gasmeßsignals, durch eine Verzögerungszeitfaktor-Erfassungseinrichtung (ii|) zur Erfassung eines Verzögerungszeitfaktors zwischen dem Auftreten einer Änderung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses des dem Ansaugsystem (3) zugeführten Gemisches und dem Erfassen dieser Änderung als Änderung der Zusammensetzung der durch das Auslaßsystem (l\.) strömenden Abgase durch die Gasmeßfühlereinrichtung (6), wobei ein elektrisches Erfassungssignal abgegeben wird, und durch eine mit der Gasmeßfühlereinrichtung (6), der Verzögerungszeitfaktor-Erfassungseinrichtung (U4.) und der Antriebseinrichtung (8) in Wirk verbindung stehende St-euei-einheit (7), die das Gasmeßsignal erhält und die Bewegungsrichtung der Antriebseinrichtung (8) bestimmt und die Antriebseinrichtung (8) intermittierend abwechselnd antreibt und anhält, und die das Erfassungssignal der Verzögerungszeitfaktor-Erf as sungs einrichtung (Hj.) erhält und die Bewegungszeitdauer oder die Stillstandszeitdauer der Antriebseinrichtung (8) steuert und die jeweils andere Zeitdauer unveränderlich festlegt, wodurch die Zusammensetzung der durch die Abgas-Reinigungseinrichtung (5) strömenden Abgase genau eingestellt wird.

2. Zusatzluft-Steuereinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungszeitfaktor-Erfassungseinrichtung (II4.) in dem Ansaugsystem der Brennkraftmaschine (1) zur Erfassung der Durchflußrate der Ansaugluft zur der Brennkraftmaschine und Abgabe eines elektrischen Ansaugluft-Durchflußmengensignals angebracht ist, daß die Steuereinheit (7) auf das Gasmeßsignal und das Ansaugluft-Durchflußmengensignal zum wiederholten abwechselnden Antreiben und Anhalten der

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Antriebseinrichtung (8) in einer gewählten Richtung anspricht, und daß die elektronische Steuereinheit (7) eine Vergleichsschaltung (7a) aufweist, die das Gasmeßsignal erhält und mit einem vorgegebenen Wert vergleicht, um festzustellen, ob das Gasmeßsignal größer oder kleiner als der vorgegebene Wert ist, eine Zeitsteuerschaltung (7d) aufweist, die das Ansaugluft-Durchflußmengensignal erhält und die Bewegungszeiten und Stillstandszeiten der Antriebseinrichtung (8) derart bestimmt, daß die Stillstandszeitdauer dem Ansaugluft-Durchflußmengensignal umgekehrt proportional ist und die BewegungsZeitdauer eine auf die Stillstandszeitdauer folgende vorgegebene Zeitdauer ist, und einen Schalterkreis (7g) aufweist, der auf die Signale der Vergleichsschaltung (7a) und der Zeitsteuerschaltung (7d) zur Bildung von Antriebssignalen für die Antriebseinrichtung anspricht, wodurch das Luft-Brennstoff-Verhältnis des der Brennkraftmaschine (1) zugeführten Gemisches im wesentlichen konstant gehalten wird.

3. Zusatzluft-Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (7) auf das Signal der Gasmeßfühlereinrichtung (6) zur Betätigung der Antriebseinrichtung (8) in einer gewählten Öffnungsrichtung oder Schließrichtung des Steuerventils anspricht und die Antriebseinrichtung während einer vorgegebenen Zeitdauer sprungartig antreibt und dann die Antriebseinrichtung entsprechend dem Erfassungssignal von der Verzögerungszeitfaktor-Erfassungseinrichtung (Hj.) für eine weitere, der Verzögerungszeit im wesentlichen umgekehrt proportionale Zeitdauer anhält, wobei der Antrieb und das Anhalten der Antriebseinrichtung (8) wiederholt abwechselnd durchgeführt wird.

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l±. Zusatzluft-Steuereinrichtung nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch einen mit dem Steuerventil oder Umgehungsventil (10) verbundenen Stellungsschalter (11), der die vollständig geschlossene Stellung des Steueroder Umgehungsventils (10) erfaßt und ein diese Stellung des Ventils bezeichnendes Positionssignal abgibt, wobei der Stellungsschalter (11) elektrisch mit der Steuereinheit (7) verbunden ist, wodurch die Steuereinheit (7), wenn sich das Steuer- oder Umgehungsventil (10) in der vollständig geschlossenen Stellung befindet, verhindert, daß die Antriebseinrichtung (8) das Steuer- oder Umgehungsventil (10) weiter in der Schließrichtung des Ventiles antreibt.

5. Zusatzluft-Steuereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitsteuerschaltung (7d) der Steuereinheit (7) einen ersten (7dp) und einen zweiten (7d') monostabilen Schaltkreis aufweist, die zur Erzeugung eines Impulssignals miteinander verbunden sind, wobei das die Ansaugluft-Durchflußmenge bezeichnende Signal der Ansaugluft-Durchflußmengenmeßeinrichtung (U-I-, 7b) dem zweiten monostabilen Schaltkreis (7d/-) zur Steuerung von dessen Wirkungsweise zugeführt wird, wodurch ein Impulssignal von der Zeitsteuerschaltung (7d) abgegeben wird, dessen Impulsdauer { *~u ) in Abhängigkeit von der Durchfluß-

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menge der Ansaugluft geändert wird.

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