DE2730100A1

DE2730100A1 - Einrichtung zum regeln des verhaeltnisses luft/kraftstoff des betriebsgemisches einer brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2730100A1
Application number: DE19772730100
Authority: DE
Inventors: Katsushi Kato; Yoshiaki Sato; Motoharu Sueishi
Original assignee: NipponDenso Co Ltd
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1976-07-02
Filing date: 1977-07-02
Publication date: 1978-01-12
Also published as: DE2730100C2; US4121554A; JPS535331A

Description

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28.6.1977 Bö/Kö

NIPPONDENSO CO. LTD., Kariya-shi, Aichi-ken, Japan

Einrichtung zum Regel» des Verhältnisses Luft/ Kraftstoff des Betriebsgemisches einer Brennkraftmaschine

Zusammenfassung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Regeln des Verhältnisses Luft/Kraftstoff des Betriebsgemisches einer Brennkraftmaschine und Regeln der Luftzahl, bei der über die in den Auspuffgasen einer Brennkraftmaschine gemessene Sauerstoffkonzentration als Steuergröße die Luftzahl ^ eines repräsentativen Betriebsgemisches aus Kraftstoff und Luft erfaßt und in einem Regelkreis zur korrigierenden Verstellung der Luftzahl des der Brennkraftmaschine zugeführten Betriebsgemisches verarbeitet wird.

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Es ist bisher bereits vorgeschlagen worden, zum Zwecke der Entgiftung der aus einer Brennkraftmaschine kommenden Auspuffgasen durch Erfassen einer der Sauerstoffkonzentration in den Auspuffgasen entsprechenden Steuergröße und deren Verarbeitung in einem Regelkreis die Luftzahl ^ des der Brennkraftmaschine zugeführten Betriebsgemisches beispielsweise auf einen bestimmten Wert der Luftzahl zu korrigieren. Die Steuerung durch einen geschlossenen Regelkreis ist besonders da nützlich und wirksam, wo es sich darum handelt, selbst bei sehr starken Änderungen der äußeren Bedingungen, wie etwa Änderungen des atmosphärischen Luftdrucks, Änderungen der Temperatur der angesaugten Luft usw. die Luftzahl auf einen ganz bestimmten konstanten Wert zu steuern. Als Meßsonde zur Erfassung der Sauerstoffkonzentration in den Auspuffgasen sind Sauerstoffmeßsonden bekannt, die nach dem Prinzip der Ionenleitung aufgrund unterschiedlichem Partialdrucks arbeiten. Diese Sonden weisen eine sprungartige Änderung des Ausgangssignals dann auf, wenn bei sich ändernder Zusammensetzung der Auspuffgase ein Übergang von Sauerstoffüberschuß zu Sauerstoffmangel erfolgt.

Weiterhin hat man sich davon überzeugt, daß es im Interesse einer Erhöhung der Regelgeschwindigkeit nützlich ist, die sich entsprechend der Luftzahl *\ des Betriebsgemisches ändernde Steuergröße der Meßsonde zu integrieren und durch Rückkopplung die Luftzahl zu korrigieren. Bei einer solchen Regelung über den gesamten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine ist jedoch zu beachten, daß sich Situationen ergeben, in denen die maximale Leistung der Brennkraftmaschine verlangt wird, wie etwa beim Beschleunigen oder bei Vollast. In diesen Betriebsbereichen ist es nicht möglich, einerseits die Luftzahl konstant zu halten und andererseits noch die gewünschte maximale Leistung zu erhalten. Es ist auch nicht möglich, bei besonderen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine, wie etwa beim Verzögern oder im Leerlauf, dem Motor ein besonders mage-

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res Betriebsgemisch zuzuführen. Es ergibt sich also in nachteiliger Weise, daß eine dem jeweiligen Betriebszustand der Brennkraftmaschine entsprechende Luftzahlregelung über den gesamten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine nicht möglich ist.

Durch die vorliegende Erfindung wird es nun möglich gemacht, während den Arbeitszuständen der Brennkraftmaschine, bei denen eine Korrektur der Luftzahl nicht notwendig ist (wie z.B. beim Beschleunigen oder Verzögern) den Integrationswert der von der Meßsonde abgegebenen Steuergröße unabhängig von der Änderung dieser Steuergröße auf einen Grenzwert der zuvor vorhandenen Integrationswertschwankungen zu halten und dadurch die von der Brennkraftmaschine verlangte Arbeitsweise zu bekommen. Außerdem ist gewährleistet, daß bei Rückkehr zur normalen Regelung der einzustellende Wert sehr schnell wieder erreicht wird.

Ausgestaltungen der Erfindung sind den Ansprüchen sowie dem in der Beschreibung näher erläuterten Ausführungsbeispiel und der Zeichnung zu entnehmen. Es zeigen:

Figur 1 eine teilweise schematisch dargestellte elektrische Schaltung des Ausführungsbeispiels und

Figur 2 Diagramme der Signalausgangsverläufe der einzelnen in der Schaltung aufgeführten Teile.

In Figur 1 besitzt eine Betriebsgemischzuführeinrichtung 1 die bekannten Mittel, um dem Ansaugsystem einer Brennkraftmaschine 2 ein z.B. aus Luft- und Kraftstoffanteilen bestehendes Betriebsgemisch zuführen. Das kann z.B. ein Vergaser oder eine elektronisch gesteuerte Kraftstoffeinspritzeinrichtung sein. Bei diesen Mitteln ist eine einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine 2 entsprechende Luftzahlcharakteristik im voraus festgelegt worden. Eine Luftzahl- bzw. ^ -Sonde 3 bekannter Bauart ist im Auspuffsystem der Brennkraftmaschine 2

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zur Erfassung der dort im Abgas vorhandenen Sauerstoffanteile angeordnet. Bei dieser Ά -Sonde handelt es sich um jene bekannte Ausführung, welche eine Steuergröße erzeugt, die bei sich ändernder Sauerstoffkonzentration in den Abgasen eine sprungartige Änderung entsprechend einer Stufenfunktion aufweist. Die Regeleinrichtung, welche entsprechend der von der A -Sonde 3 kommenden Steuergröße die Gemischzusammensetzung über die Betriebsgemischzuführeinrichtung korrigiert, besteht aus einer die Steuergröße mit einem festgelegten Referenzspannungswert vergleichenden Unterscheidungsschaltung 4, einer den von dieser Unterscheidungsschaltung 4 kommenden Unterscheidungswert integrierenden Integrationsschaltung 5, die einen Integralwert erzeugt, der entsprechend dem Unterscheidungswert eine Zunahme- oder Abnahme-Charakteristik aufweist.

Ferner sind eine einen im voraus festgelegten Betriebszustand der Brennkraftmaschine 2 erkennende Zustandserkennungsschaltung 6 und eine Korrektursteuerschaltung 7 vorgesehen, welche durch die Zustandserkennungsschaltung gesteuert wird und die Eingabe des von der Unterscheidungsschaltung 4 kommenden Unterscheidungswertes in die Integrationsschaltung 5 steuert. Nun wird der von der Integrationsschaltung 5 kommende Integralwert in die Betriebsgemischzufjihreinrichtung 1 eingegeben^ durch welche die Luftzahl des Betriebsgemisches entsprechend diesem Integralwert korrigiert wird. Verfahren und Einrichtungen, mit denen solche Korrekturen ausgeführt werden können, sind bekannt und brauchen hier nicht näher beschrieben werden. Durch solche Einrichtungen können entsprechend dem Integralwert entweder der Anteil der Luftmenge oder der Anteil der Kraftstoffmenge des Betriebsgemisches verändert werden.

Die oben erwähnte Unterscheidungsschaltung ist aus den einen Spannungsteiler bildenden Widerständen 42 und 43 und einem Komparator 44 aufgebaut. Auf den invertierenden Eingang des Komparators 44 wird über einen Widerstand 4l die λ -Sonden-

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Ausgangsspannung als Steuergröße eingegeben, während an dem nichtinvertierenden Eingang der der theoretischen Luftzahl entsprechende, durch den Spannungsteiler aus den Widerständen Ί2 und *»3 gebildete Referenzspannungswert V eingegeben wird.

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Wenn also die Steuergröße der /\-Sonde 3 auf einem niedrigen Niveau liegt und damit anzeigt, daß die Luftzahl des Betriebsgemisches größer ist als die theoretische Luftzahl, dann erzeugt der Komparator HH einen Unterscheidungswert von hohem Niveau. Wenn umgekehrt die Steuergröße der -Sonde 3 auf einem hohen Niveau liegt, erzeugt der Komparator M einen Unterscheidungswert von niedrigem Niveau.

Die Integrationsschaltung 5 ist aus Widerständen 51» 52, 53 und 56 sowie einen Operationsverstärker 5¹* und einem Kondensator 55 aufgebaut. Auf den nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 5Ί wird die konstante Spannung V„ .» gegeben, die am Mittelabgriff eines aus den Widerständen 52 und 53 gebildeten Spannungsteilers zwischen der positiven und negativen Versorgungsleitung mit der Spannung V_ß eingestellt ist. Dagegen wird auf den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 5¹* über die Korrektursteuerschaltung 7 und dem nachgeschalteten Widerstand 51 der Unterscheidungswert der Unterscheidungsschaltung l\ gegeben.

Die Korrektursteuerschaltung 7 ist aus Invertern 71 und 78 sowie einem UND-Gatter 72, den NAND-Gattern 73, 75 und 76 sowie einem ODER-Gatter 74 und einem Relais 77 aufgebaut. Das Relais 77» dem der Widerstand 51 nachgeschaltet ist, ist geschlossen, wenn kein Strom fließt und stellt dabei die Verbindung für den von der Unterscheidungsschaltung H kommenden Unterscheidungswert zur Integrationsschaltung 5 her. Wenn jedoch Strom fließt, wird das Relais geöffnet, so daß die Verbindung zwischen der Unterscheidungsschaltung H und der Integrationsschaltung 5 unterbrochen ist.

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Das Relais wird vom Ausgang des ODER-Gatters 74 angesteuert, dessen einer Eingang mit dem Ausgang des UND-Gatters 72 und dessen anderer Eingang mit einem der Signalausgänge der Zustandserkennungsschaltung 6 verbunden ist. Die drei Eingänge des UND-Gatters 72 liegen am Ausgang B des Komparators 44, am Ausgang F des Flip-Flops aus den NAND-Gattern 75, 76 und am anderen der Signalausgänge der Zustandserkennungsschaltung Dieser Signalausgang D der Zustandserkennungsschaltung 6 ist mit einem der Eingänge F des NAND-Gatters 73 und des Flip-Flops 75, 76 verbunden. Der zweite Eingang des NAND-Gatters 73 ist dagegen über den Inverter 71 mit dem Ausgang des Komparators 44 verbunden, der ferner über den Inverter 78, das Relais 77 rationsverstärkers 54 verbindbar ist. Der Ausgang E des NAND-Gatters 73 ist mit dem anderen Eingang des Flip-Flops 75, 76 verbunden.

Im folgenden soll nun die Arbeitsweise der den obenbeschriebenen Aufbau besitzenden Einrichtung anhand der Abbildung 2 näher erklärt werden, ohne zunächst die Wirkungsweise der Korrektursteuerschaltung 7 zu berücksichtigen. Dabei soll angenommen werden, daß die Zustandserkennungsschaltung 6 bei vollkommen geschlossener Drosselklappe der Brennkraftmaschine 2 eine Spannung von hohem Niveau eraeugt, und daß die Betriebs-' gemischzuführeinrichtung 1 so eingestellt ist, daß bei vollständig geschlossener Drosselklappe ein Betriebsgemisch mit einer Luftzahl, welche größer ist als die theoretische Luftzahl, zugeführt werden kann. Ferner ist die Zuordnung so gewählt, daß bei einer Erhöhung des von der Integrationsschaltung kommenden Integralwertes die Luftzahl kleiner wird und bei abnehmendem Integralwert die Luftzahl größer wird. Im gewöhnlichen Betriebszustand der Brennkraftmaschine 2 erzeugt bei nicht vollständig geschlossener Drosselklappe die /ι -Sonde 3 an deren Ausgang A gemäß der Kurve (A) eine Steuergröße, welche bei sich ändernder Luftzahl sprungartige Änderungen des

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Niveaus aufweist und die Unterscheidungsschaltung ²J an deren Ausgang B gemäß Kurve (B) einen entsprechenden Unterscheidungswertverlauf mit einer Rechteckwellenform, die gegenüber der Signalfolge gemäß Kurve (A) invertiert ist. Dieser Unterscheidungswert wird über das sich im geschlossenen Zustand befindende Relais 77 der Korrektursteuerschaltung 7 in die Integrationsschaltung 5 eingegeben, welche, wie dies der Kurve (C) in Figur 2 zu entnehmen ist, an deren Ausgang C einen entsprechend dem Unterscheidungswert bzw. entsprechend der Steuergröße der ^-Sonde 3 zunehmenden oder abnehmenden Integralwert erzeugt. Da die Betriebsgemischzuführeinrichtung 1 die Luft zahl λ des Betriebsgemisches aufgrund dieses Integralwertes korrigiert, wird der Brennkraftmaschine ein im wesentlichen die theoretische Luftzahl ( ^ = 1) aufweisendes Betriebsgemisch zugeführt. Allerdings schwankt jedoch der Integralwert, wie das die Kurve (C) zeigt, innerhalb der Schwankungsbreite Vo.

Die Zustandserkennungsschaltung 6 ist mit einem Drosselklappen-Stellungsgeber verbunden. Wenn bei der Luftzahlregeleinrichtung die Drosselklappe der Brennkraftmaschine in dem Zeitpunkt t. vollständig geschlossen wird, erzeugt die Zustandserkennungsschaltung 6 am Ausgang D, wie die Kurve (D) in Figur 2 zeigt, eine Spannung mit hohem Niveau, welche der Korrektursteuerschaltung 7 zugeführt wird. Andererseits ist der von der Unterscheidungsschaltung Ί kommende Unterscheidungswert durch den Inverter 71 umgekehrt worden und das NAND-Gatter 73 erzeugt gemäß Kurve (E) an seinem Ausgang im Zeitpunkt t~ eine Spannung mit niedrigem Niveau, durch welche der aus den NAND-Gattern 75 und 76 bestehende Flip-Flop gesetzt wird. Der Ausgang F des Flip-Flop geht dann, wie dies der Kurve (F) zu entnehmen ist, auf eine Spannung mit hohem Niveau.

Da an das UND-Gatter 72 der von der Unterscheidungsschaltung 4 kommende Unterscheidungswert, die von der Zustandserkennungsschaltung 6 kommende, den Zustand einer geschlossenen Drosselklappe anzeigenden Spannung mit hohem Niveau und die vom Flip- Flop kommende Spannung mit hohem Niveau gelangen, wird in dem

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Zeitpunkt t^., in welchem der Unterscheidungswert zu einer Spannung von ebenfalls hohem Niveau geworden ist der Ausgang G des UND-Gatters 72 gemäß Kurve (G) auf eine Spannung mit hohem Niveau gebracht. Da der nach dem Schließen der Drosselklappe von dem Zeitpunkt t₁ an anliegende Unterscheidungswert bis zum Zeitpunkt t in die Integrationsschaltung eingegeben wurde, hat sich der Integrationswert in diesem Zeitraum, wie dies der Kurve (C) zu entnehmen ist, innerhalb der Schwankungsbreite Vo geändert. Nach dem Zeitpunkt t, werden die danach kommenden Unterscheidungswerte, da durch die von dem UND-Gatter 72 herkommende Spannung das Relais fk Strom bekommen hat und geöffnet hat, nicht mehr in die Integrationsschaltung 5 eingegeben. Der Integralwert wird auf dem zu diesem Zeitpunkt erreichten Wert gehalten. Da diese Aufrechterhaltung des Integralwertes in dem Zeitpunkt t-, erfolgt, in welchem die Steuergröße der ^V-Sonde 3 von dem hohen Niveau zu dem niedrigen Niveau umgekehrt worden ist, ist der Integralwert dann nahezu gleich der unteren Grenze seines Wertes, der vor dem Zeitpunkt des vollständigen Schließens der Drosselklappe erreichbar war. Dieser Wert zeigt an, daß die Luftzahl des Betriebsgemisches größer gemacht werden muß. Die Betriebsgemisch-Zuführeinrichtung 1 ist zwar so eingestellt, daß im Zeitpunkt des vollständigen Schließens der Drosselklappe ein Betriebsgemisch zugeführt werden muß, dessen Luftzahl größer ist als die theoretische Luftzahl, da jedoch auch durch den aufrechterhaltenen Integralwert eine Korrektur der Luftzahl erfolgt, wird der Brennkraftmaschine 2 mit Sicherheit ein Betriebsgemisch zugeführt, dessen Luftzahl größer ist als die theoretische Luftzahl (/I größer 1).

Das vollständige Schließen der Drosselklappe findet zu einem Zeitpunkt statt, in dem die Brennkraftmaschine 2 ohne Last läuft, also etwa beim Verzögern oder im Leerlauf. Eine in diesem Betriebsbereich magere Betriebsgemischzufuhr ist erwünscht.

Venn dann im Zeitpunkt t^ die Drosselklappe erneut geöffnet

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wird, wird selbstverständlich in gleicher Weise wie vor dem Zeitpunkt t^ durch den entsprechend der Steuergröße der ,λ Sonde 3 zunehmende oder abnehmende Integralwert eine Korrektur der Luftzahl ausgeführt. Da der aufrechterhaltene Integralwert einer Gemischeinstellung entspricht, die eine sehr nahe bei der theoretischen Luftzahl liegende Luftzahl hat, kommt auch beim Wiedereinsetzen der Regelung eine schnelle Einregelung zustande.

Wenn bei dem oben besprochenen praktischen Ausführungsbeispiel die Drosselklappe in dem vor dem Zeitpunkt t. liegenden Zeitpunkt t_Q vollständig geschlossen wird, erhält man an den Punkten A bis G der Figur 1 eine Spannungsänderung, wie sie den Kurven (A) bis (G) der Figur 2 als gestrichelte Linien zu entnehmen ist. Auch in diesem Fall wird der Integralwert auf seinem unteren Grenzwert aufrecht erhalten. Die Einrichtung arbeitet also in der gleichen Weise, wie zuvor beschrieben.

Wenn als Betriebsgemischzuführeinrichtung 1 eine elektronisch gesteuerte Kraftstoffeinspritzanlage verwendet wird, wird beim Verzögern der Brennkraftmaschine die Kraftstoffzufuhr abgeschnitten. In diesem Fall erfolgt die Schaltung so, daß die Zustandserkennungsschaltung 6 dem ODER-Gatter 74 der Korrektursteuerschaltung 7 eine die Kraftstoffabsperrung anzeigende Spannung mit hohem Niveau zuführt. Gleichzeitig mit der Erzeugung dieser Spannung mit hohem Niveau wird zwar der Integralwert auf einem Wert innerhalb der Schwankungsbreite Vo aufrecht erhalten, wenn jedoch diese Spannung mit hohem Niveau nicht mehr zugeführt wird, dann wird selbstverständlich der Integralwert auf dem unteren Grenzwert der Schwankungsbreite Vo aufrechterhalten.

Bei dem oben erwähnten praktischen Ausführungsbeispiel wurde es so eingerichtet, daß der Integralwert nur bei vollständig geschlossener Drosselklappe aufrechterhalten wird. Man kann es

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aber auch so einrichten, daß der Integralwert bei einem anderen Betriebszustand aufrecht erhalten wird, wie z.B. bei vollständig geöffneter Drosselklappe. Wenn man in diesem Fall den oberen Grenzwert des Integralwertes durch eine entsprechend angepaßte Verknüpfungsschaltung der Korrektursteuerschaltung aufrecht erhält, hat man die Möglichkeit, der Brennkraftmaschine mit Sicherheit ein Betriebsgemisch zuzuführen, dessen Luftzahl kleiner als die theoretische Luftzahl ist.

Wie oben dargelegt, wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine den jeweiligen Betriebs zuständen der Brennkraftmaschine angepaßte Luftzahlregelung dadurch ermöglicht, daß mit Hilfe eines der die Luftzahl anzeigenden Sauerstoffkonzentration in den Auspuffgasen der Brennkraftmaschine entsprechenden Integralwertes die Luftzahl des Betriebsgemisches korrigiert wird. Entsprechend ausgewählten Betriebszuständen der Brennkraftmaschine wird der Integralwert auf einen seiner Grenzwerte aufrecht erhalten. Man erhält hiermit den großen Vorteil, daß auch dann, wenn sich die Charakteristik der Betriebsgemischzuführeinrichtung verschiebt, mit Sicherheit die gewünschte Luft zahl eingeregelt werden kann.

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Claims

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Ansprüche

I.) Einrichtung zum Regeln des Verhältnisses Luft /Kraftstoff des Betriebsgemisches einer Brennkraftmaschine und Regeln der Luftzahl mit einer im Abgassystem angeordneten Meßsonde deren Ausgangssteuergröße entsprechend der Luftzahl des Luft/Kraftstoff-Betriebsgemisches bei einem bestimmten Wert eine sprungartige Änderung aufweist und mit einer Betriebsgemischverzuführeinrichtung, mit der ein Betriebsgemisch mit einer im voraus festlegbaren Luftzahlcharakteristik erzeugt wird und die zur Korrektur von einer Integrationseinrichtung mit einem Integralwert ansteuerbar ist, der von einem den Ausgangssteuergrößen der Meßsonde entsprechenden ah der Integrationseinrichtung anliegenden Wert gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Korrektursteuerschaltung (7) vorgesehen ist, welche dann, wenn die Brennkraftmaschine (3) in einem im voraus festgelegten Betriebszustand gelangt ist, die obengenannte Steuergröße abschaltet und den obengenannten Integralwert auf den Grenzwert seiner Schwankungen aufrecht erhält.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektursteuerschaltung (7) eine Schaltvorrichtung (77) aufweist, die dem Eingang der Integrationseinrichtung (5)

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vorgeschaltet ist und von einer Verknüpfungsschaltung zur Erfassung wenigstens eines ausgewählten Betriebsbereichs der Brennkraftmaschine und einer ausgewählten Grenzgröße der Ausgangssteuergröße der Meßsonde (3)■gesteuert wird.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine die Drosselklappenstellung der Brennkraftmaschine erfassende Zustandserkennungsschaltung (6) vorgesehen ist, und bei Vorliegen einer deren Ausgangsgrößen und einem der ausgewählten Sondenausgangssteuergröße über eine dabei betätigbare Umschalteinrichtung ein Steuersignal erzeugbar ist, bei dessen Anliegen und bei gleichzeitigem Anliegen der anderen Steuergröße der Meßsonde und der obengenannten Ausgangsgröße der Zustandserkennungsschaltung (6) die Schaltvorrichtung im Sinne einer Unterbrechung der Verbindung zum Eingang der Integrationseinrichtung (5) betätigbar ist.

H. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektursteuerschaltung eine Schaltvorrichtung (77) aufweist, die dem Eingang der Integrationseinrichtung (5) vorgeschaltet ist und von einer die Drosselklappenstellung erfassenden Zustandserkennungsschaltung (6) angesteuert wird.

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