DE3029357A1

DE3029357A1 - System zum regeln des luft-brennstoff-verhaeltnisses eines verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE3029357A1
Application number: DE19803029357
Authority: DE
Inventors: Masaaki Musashino Tokio/Tokyo Ohgami; Hitoshi Chofu Tokio/Tokyo Suzuki
Original assignee: Fuji Jukogyo KK; Fuji Heavy Industries Ltd
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 1979-08-02
Filing date: 1980-08-01
Publication date: 1981-03-26
Also published as: FR2465887B1; GB2062904A; DE3029357C2; US4363305A; JPS5623532A; GB2062904B; JPS6256335B2; FR2465887A1

Description

System zum Regeln des Luft-Brennstoff-Verhältnisses eines Verbrennungsmotors

Priorität: 2. August 1979 Japan 54-98854

Die Erfindung betrifft ein Regelsystem, wie ein System zum Regeln des Luft-Brennstoff-Verhältnisses eines Emissionsregelsystems eines Verbrennungsmotors mit einem Dreiwegkatalysator, und insbesondere ein System zum Regeln des Luft-Brennstoff-Verhältnisses auf einen Wert, der dem stöchiometrischen Luft-Brennstoff-Verhältnis angenähert ist, so daß der Dreiwegkatalysator wirksam betätigt wird.

Ein solches oystem ist ein Rückkopplungsregelsystem, in dem ein Sauerstoffühler vorgesehen ist, um den Sauerstoffgehalt der Abgase abzutasten und um ein elektrisches Signal als Anzeige des Luft-Brennstoff-Verhältnis s er, des Luft-Brennstoff-Gemisches, das durch einen Vergaser zugeführt wird, zu erzeugen. Das Regelsystem enthält eine Beurteilungsschaltung zur Beurteilung des Ausgangssignals des Sauerstoffühlers, eine Integrationsschaltung, die mit der Beurteilungsschaltung verbunden ist, eine Antriebsschaltung zum Erzeugen von Rechteck-Wellenimpulsen aus dem Ausgangssignal der Integrationsschaltung und ein Auf-Zu-Elektromagnetventil zum Korrigieren des Luft-Brennstoff-Verhältnisses des Gemisches. "Das Regelsystem arbeitet, um zu beurteilen, ob das Rückkopplungssignal von dem Sauerstoffühler höher oder niedriger aiii ein vorbestimmter Bezugswert entsprechend dem stöchiometrischen Luft-Brennst off-Verhältnis ist, um ein Fehlersignal zum Betätigen des Auf-Zu-Elektromagnetventili! zu erzeugen und dadurch das Luft-Brennstoff-Verhältnis des Gemisches zu regeln.

Ein solches Itückkopplunnsregelsystem führt aufgrund der Verzögerung beim Ansprechen des Sauerstoffühlers

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Eigenschwingungen aus. Das durch das Auf-Zu-Elektro~ magnetventil korrigierte Gemisch wird in den Zylinder des Motors eingeführt und strömt durch den Ansaugkanal und wird darin verbrannt und danach zu dem Abgaskanal abgegeben. Zu der Zeit, zu der der Sauerstofffühler den Sauerstoffgehalt der Abgase aufgrund des korrigierten Gemisches festellt, pendelt die Korrigier-wirkung mit dem Auf-Zu-Elektromagnetventil über den gewünschten Punkt. Als Ergebnis wird ein fettes oder mageres Gemisch aufgrund des Überschwingens in den Motor eingeführt und die Abweichung wird durch den Sauerstoffühler festgestellt. Auf diese Weise wird eine Korrekturwirkung in der entgegengesetzten Richtung eingeleitet. Nach dieser Schwingung des Regelbetriebs konvergiert die Änderung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses des Gemisches zu dem stöchiometrischen Verhältnis. Die Abweichung des Luft-Brennstoff-VerhäTtr L-'ses (³^e Gemisches wird deshalb auf das stöchiometrische Verhältnis mit einiger Verzögerung korrigiert. Die gewünschte Verringerung der schädlichen Bestandteile kann folglich nicht erreicht werden.

Andererseits hat es sich herausgestellt, daß, wenn der Dreiwegkatalysator den Abgasen ausgesetzt ist, deren Verhältnis der Bestandteile von einem mittleren Abgasbestandteilsverhältnis in einer geeigneten Periode abweicht, der Katalysator aktiviert werden kann, um. dadurch die Emissionsverringerungswirkung zu erhöhen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Regelsystem zu schaffen, bei dem das gesteuerte Ausgangssignal mit einem Muster schwingt, das derart ist, daß die Richtung der Abweichung von dem gewünschten Wert bestimmt werden kann, wodurch die Abweichung von dem gewünschten Wert schnell korrigiert werden kann.

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Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteran&prüchen angegeben.

Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnung beschrieben, in der sind

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Luft-Brennstoff-Regelsystems,

Fig. 2 eine graphische Darstellung der EMK des Sauerstoffühlers als Funktion des Luft-Brennstoff-Verhältnisses des durch einen Vergaser zugeführten Gemisches,

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines elektronischen Regelsystems nach der Erfindung,

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Motorgeschwindigkeit und der Periode des Normsignals,

Fig. 5 eine Darstellung eines Beispiels eines Zittersignals,

Fig. 6A und B eine Darstellung der Beziehung zwischen den Pegeln des Zittersignals und des Antriebssignals,

ein Darstellung des Zittersignals, Fig. 8 bis 10 eine Darstellung der Beziehung zwischen der Abweichung des Zittersignals und des Ausgangssignals einer Musterbeurteilungsschaltung, eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, Fig. 12 ein Schaltbild eines Beispiels der elektronischen Schaltung des Systems und

Fig. 13 Darstellungen der Wellenformen an verschiedenen Stellen in Fig. 12.

Gemäß Fig. 1 steht ein Vergaser 1 mit einem Verbrennungsmotor 2 in Verbindung, Der Vergaser enthält eine Schwimmerkammer 3» ein Venturirohr 4· in dem Ansaugkanal, eine

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Fig.	7
Fig.	8
Fig.	11
Fig.	12

Düse 5ι die mit der Schwimmerkammer 3 über einen Hauptbrennstoff kanal 6 in Verbindung steht, und eine Leerlauföffnung 10, die nahe einem Drosselventil 9 vorgesehen ist und mit der Schwimmerkammer 3 über einen Leerlaufbrennstoffkanal 11 in Verbindung steht. Luftkorrigierkanäle 8 und 13 sind jeweils parallel zu einer Hauptluftöffnung 7 und einer Leerlaufluftöffnung 12 vorgesehen. Auf-Zu-Elektromagnetventile 14 und 15 sind für die Luftkorrigierkanäle 8 und 13 vorgesehen. Die Einlaßöffnung jedes Auf-Zu-Elektromagnetventils steht mit der Atmosphäre über einen Luftfilter 16 in Verbindung. Ein Sauerstoffühler 19 ist in einer Abgasleitung 17 zum Feststellen des Sauerstoff gehalts der Abgase von dem Motor 2 angeordnet.

Ein katalytischer Dreiwegkonverter 18 ist in der Abgasleitung 17 stromabwärts des Sauerstoffühlers 19 angeordnet.

Die Ausgangsspannung des Sauerstoffühlers 19 ander'"-sich steil bei einem Abgasverhältnis nahe dem stöchiometrischen Luft-Brennstoff-Verhältnis des Gemisches, das durch den Vergaser zugeführt wird, siehe Pig. 2, so daß es möglich ist festzustellen, ob das Luft-Brennstoff -Gemisch in dem Ansaugkanal fetter oder magerer als das stöchiometrische Verhältnis ist, indem die Spannung des Sauerstoffühlers 19 bestimmt wird. Das Ausgangssignal des Fühlers 19 wird einem elektronischen Regelsystem 20 zum Regeln der Auf-Zu-Elektromagnetventile 14 und 15 zugeführt.

Gemäß Fig. 3 &at das elektronische Regelsystem eine Zittersignalerzeugungsschaltung 21 zum Erzeugen eines Zittersignals (a) der Fig. 7 und 5· Das Zittersignal (a) wird einer Antriebsschaltung 24 über eine Verschiebungsregelschaltung 22, die nachfolgend beschrieben wird, und eine Verstärkungsregelschaltung 23 zugeführt, wobei die Antriebsschaltung, in den Ansprüchen auch als Betätigungseinrichtung bezeichnet, die Auf-Zu-Elektro-

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magnetventile 14 und 15 antreibt. Wie Fig. 5 und 7 zeigen, hat das Zittersignal (a) eine Spannungswellenform, in der ein Muster in Zyklen wiederholt wird. Ein Zyklus des Musters enthält ein Paar hohe Bergabschnitte a und c, einen niedrigen Bergabschnitt e, ein Paar tiefe Talabschnitte d und f und einen flacheren Talabschnitt b. Die Höhe P des hohen Bergabschnitts von der Mittellinie O ist gleich der Tiefe DP des tiefen Talabschnitts von der Mittellinie O. Die Tiefe des flachen Talab-Schnitts b von der Mittellinie O ist beispielsweise die Hälfte der Tiefe DP des tiefen Talabschnitts.

Die Antriebsschaltung 24 erzeugt Antriebsimpulse, siehe Fig. 6A, in Abhängigkeit von der Eingangsspannung mit dem Zittermuster (a). Wie Pig. 6A zeigt, bewirkt eine höhere Spannung entsprechend dem Berg des Zittersignals einen Antriebsimpuls dp mit einer großen Breite, d.h. einem großen Impulsnennverhältnis, und eine niedrigere Spannung vl entsprechend dem Tal des Zittersignals bewirkt einen schmalen Nennimpuls pn mit einem geringen Impulsnennverhältnis. Die Elektromagnetventile 14 und 15 werden deshalb durch die Antriebsimpulse der Fig. 6A in Abhängigkeit von der Spannung des Zittersignals (a) betätigt. Wenn die Ventile durch den Impuls mit großer Breite betätigt werden, wird ein mageres Gemisch erzeugt, da mehr Luft eintritt. Der schmale Impuls ergibt ein fettes Gemisch. Die Änderung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses des Gemisches, das durch den Vergaser zugeführt wird, hat deshalb dasselbe Zittermuster.

Fig. 7(a) zeigt die Änderung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses des Gemisches mit dem Zittermuster.

Wenn das Luft-Brennstoff-Verhältnis des Gemisches mit der Zitterwelle der Fig. 7(a) von der Linie S des stöchiometrischen Verhältnisses nach der mageren Seite abweicht, siehe Fig. 7(a), ändert sich die Ausgangsspannung

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des Sauerstoffühlers 17, der die Abgase entsprechend dem Gemisch feststellt, so, wie es in Fig. 7(t>) gezeigt ist.

Da das kleine Luft-Brennstoff-Verhältnis des Gemisches entsprechend dem niedrigen Bergabschnitt e des Zittermusters in Ju¹Xg. 7(a) unter der Linie S des stöchiometrischen Verhältnisses liegt, erzeugt der Sauerstofffühler keine Ausgangsspannung für den Abschnitt e.

Die Wellenform der Pig. 7(ΐ>) ergibt demgemäß keine Wellenform entsprechend dem Abschnitt e. Die Ausgangsspannung enthält jedoch Störungen dS1 und dS2, die durch von dem Motor erzeugtes Rauschen bewirkt werden. Die Ausgangsspannung (b) des Sauerstoffühlers wird an die Störungsbeseitigungsschaltung 27 mit einer Differentiationsschaltung über einen Komparator 27a angelegt. Die Schaltung 27 differenziert d:'e Ausg-^^sspannung des Sauerstoffühlers 19, tun das Signal zu erzeugen, das in Fig. 7 (c) gezeigt ist.

Eine Uormperiodenschaltung 25·ist zum Erzeugen eines Normperiodenimpulszuges vorgesehen. Die Phase der Impulse der Schaltung 25 wird durch eine Verzögerungsschaltung eingestellt, so daß sie mit der Phase des Ausgangssignals des Sauerstoffühlers zusammenfällt, die auch der Phase des Zittersignals entspricht. Dieser eingestellte Normperiodenimpulszug ist in Fig. 7(d) gezeigt. Das Signal der Fig. 7(c) wird mit dem. eingestellten Normperiodenimpulszug verglichen, so daß Störungen dS1 und dS2 beseitigt werden, siehe Fig. 7(e).

Das Signal der Fig. 7(O wird einer Beurteilungsschaltung 28 zugeführt. Die Beurteilungsschaltung erzeugt ein Eechteckausgangssignal, siehe Fig. 7(f)> durch Triggern mit dem Signal der Fig. 7(e).

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Da der niedrige Bergabschnitt e des Gemisches in Fig. 7(a) auf der mageren Seite angeordnet ist, wird ein breiter Abschnitt w mit niedrigem Pegel in dem Beurteilungssignal der Fig. 7(f) gebildet. Die Tatsache, daß das Gemisch sich auf das Signal der Fig. 7(a) auf der mageren Seite bezieht, wird durch den Abschnitt w mit niedrigem Pegel des Signals f festgestellt, das von dem Sauerstoffühler 19 abgegeben wird.

Fig. 9 zeigt ein Beispiel des Beurteilungssignals f' von der Schaltung 28, wenn das Luft-Brennstoff-Verhältnis des Gemisches sich am stöchiometrischen Wert befindet. Vergleiche hierzu das entsprechende Zittersignal (a), wenn die Mittellinie 0 zu der stöchiometrisehen Linie S verschoben worden ist. Das Beurteilungssignal enthält Impulse a¹ bis f', von denen jeder dieselbe Impulsbreite hat.

Fig. 10 zeigt ein weiteres Beispiel des Beurteilungssignals f", wenn das Luft-Brennstoff-Gemisch nach der fetten Seite abweicht. Vergleiche hierzu das entsprechende Zittersignal (a), wenn die Mittellinie 0 zur stöchiometrischen Linie S verschoben worden ist. Das Beurteilungssignal f" enthält einen breiten Abschnitt d', e¹, f mit hohem Pegel. Wenn die Bergabschnitte des Zittersignals, das dem Luft-Brennstoff -Verhältnis des Gemisches entspricht, von dem stöchiometrischen Wert abweichen, wird ein Beurteilungssignal mit hohem Pegel ohne den Talabschnitt erzeugt.

Das Beurteilungssignal f, f' oder f" wird der Verschiebungssignalerzeugungsschaltung 29 zugeführt, die ein Verschiebungssignal g in Abhängigkeit von der Breite des Abschnitts mit hohem Pegel oder mit niedrigem Pegel des Signals f, f' oder f" erzeugt. Das Verschiebungssignal (g) wird der Verschiebungsregelschaltung 22 zugeführt, um das Zittersignal (a) zu verschieben, das

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von der Zittersignalerzeugungsschaltung 21 in Abhängigkeit davon zugeführt wird, d.h. in Abhängigkeit von der festgestellten Abweichung der Abgase, die wiederum abhängig von dem Luft-Brennstoff-Verhältnis des Gemisches in dem Ansaugkanal ist.

Pig. 8 zeigt ein Beispiel der Änderung der Abweichung des Zittermusters des Gemisches und der Änderung des Ausgangssignals (Fig. 7f) der Beurteilungsschaltung Unter der Annahme, daß das .Zittermuster A vollständig von dem stöchiometrischen Verhältnis nach der fetten Seite abweicht, wird ein Ausgangssignal A¹ mit hohem Pegel ohne den Talabschnitt erzeugt. In Abhängigkeit von dem Ausgangssignal A¹ wird nun das Zittersignal der Schaltung 21 zur mageren Seite über die Verschiebungsschaltungen 29 und 22 verschoben.

Wenn das Zittermuster so angeordnet ist, wie es bei B gezeigt ist, also etwas nach der fetten Seite zu angeordnet ist, wird ein Ausgangssignal B¹ mit hohem Pegel erzeugt. Auf diese Weise wird das nächste von der Schaltung 21 erzeugte Zittersignal um einen Grad in Abhängigkeit von dem Signal B' verschoben. Die Abweichung des Zittermusters des Gemisches wird zur Zeit ti festgestellt, bevor der Impuls B¹ vervollständigt wird.

Wenn die Mittellinie O des Zittermusters des Gemische;; mit dem stöchiometrischen Verhältnis zusammenfällt, d.h. die Signale G oder die Mittellinie im Bereich zwischen dem niedrigen Bergteil e (Fig. 5) und dem flachen Talteil b angeordnet sind, werden gleichförmige Impulse erzeugt. Die Erzeugung eines gleichförmigen Ausgangsimpulses zeigt somit die Tatsache an, daß das Luft-Brennstoff-Verhältnis, das wirksam durch den Sauerstoffühler festgestellt worden ist, etwa gleich dem stöchiometrischen Verhältnis ist. Auf

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diese Weise erzeugt die Verschiebungssignalerzeugungsschaltung 29 kein Ausgangs signal, wenn dar, gleichförmige Eingangssignal ankommt.

Die Periode des Zittersignals der Schaltung 21 wird durch die Normperiodenschaltung 25 erzeugt. Die Periode ändert sich in Abhängigkeit von der Motorgeschwindigkeit (rpm) durch das Signal, das von einem üblichen Geschwindigkeitsfühler in einem Wandler 26 zugeführt wird. Wie Fig. 4 zeigt, steigt diese Periode mit ansteigender Motorgeschwindigkeit an. Wenn die Motorgeschwindigkeit gering ist, ist die Menge der Abgase gering, was bedeutet, daß es schwierig ist, den Sauerstoffgehalt der Abgase mit Genauigkeit festzustellen.

Die Periode des Zittersignals steigt durch die Normperiode der Schaltung an, wenn die Motorgeschwindigkeit abnimmt. Ein zuverlässiger Regelvorgang im gesamten Motorgeschwindigkeitsbereich kann somit erreicht werden. Eine Korrigierschaltung 51 ist zur Feineinstellung des Phaseneinstellvorgangs in der Verzögerungsschaltung 50 vorgesehen.

Fig. 11 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der die Erfindung bei einem Motor angewendet ist, der mit einem Brennstoffinjektionssystem versehen ist. Ein Brennstoffinjektor 54 ist an einem Ansaugkrümmer 55 stromabwärts eines Luftfilters 52 vorgesehen. Der Brennstoffinjektor 54 steht mit einem Brennstofftank mit einer (nicht dargestellten) Brennstoffpumpe über eine Leitung 56 in "Verbindung. Der Brennst off injektor ist wirksam mit einer Regeleinheit 57 verbunden, die das Regelsystem 20 der Fig. 5 aufweist. Der Sauerstofffühler 19 und der Geschwindigkeitsfühler 26 sind zum Regeln des Regelsystems 20 vorgesehen. In diesem System wird der Brennstoffinjektor 54 durch das Zittersignal in derselben Weise wie bei der vorangehenden Ausführungsform betätigt, wodurch eine wirksame Emissionsregelung ausgeführt werden kann.

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Fig. 12 zeigt ein Beispiel der elektronischen Schaltung des Systems. Die Beurteilungsschaltung 28 enthält einen D-JK-Flip-Flop 40. Der Geschwindigkeitsfühler 26 enthält eine Zündspule 4-1 und einen Verteilerkontakt 4-2. Fig. 13 zeigt Wellenformen an verschiedenen Stellen in Fig. 12, wobei die Wellenformen W1 bis W10 den Punkten in Fig. 12 entsprechen, die jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen sind.

Aus der vorangehenden Beschreibung ergibt sich, daß die Erfindung ein Regelsystem schafft, in dem das geregelte Ausgangssignal, d.h. die Prozeßgröße, veranlaßt wird, durch das Zittersignal in einem Muster zu schwingen, so daß das notwendige minimale Fehlersignal erzeugt werden kann. Auf diese Weise kann eine Änderung des Ausgangssignals schnell auf den gewünschten Wert konvergieren. Andere Zittersignale mit exnem - rsc^iedenen Muster als das dargestellte Signal können auch verwendet werden. Wenn ein anderer als ein Sauerste." fühler verwendet wird, der eine lineare Ausgangsspannung hat, ist es notwendig, einen Komparator vorzusehen, durch den die Ausgangsspannung mit einem Normpegel verglichen wird, welcher dem stöchiometrischen Verhältnis entspricht, so daß die Ausgangsspannung bei dem Normpegel steil geändert werden kann.

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Claims

REINLÄNDER & BERNHARDT

PATENTANWÄLTE 3 G 7 9 -3 h

5/30 Orthstraße 12

D-8000 München

Fuji Jukogyo Kabushiki Kaisha

7-2 NisMsninjuku 1-chome Shinjuku-ku, Tokyo, Japan

Patentansprüche

1 .J System zum Regeln des Luft-Brennstoff-Verhältnisses eines Verbrennungsmotors mit einem Ansaugkanal, mit einem Abgaskanal, mit einer Luft-Brennstoff-Gemisch-Zufuhr einrichtung und mit einer Elektromagneteinrichtung zum Korrigieren des Luft-Brennstoff-Verhältnisses des Luft-Brennstoff-Gemisches, das durch die Luft-Brennstoff-Gemisch- Zufuhr einrichtung zugeführt wird, gekennzeichnet durch eine Zittersignalerzeugungsschaltungseinrichtung zum Erzeugen eines periodischen Zittersignals mit einem Muster, das mehrere Bergabschnitte und Talabschnitte aufweist, wobei wenigstens einer der Bergabschnitte niedriger als die anderen Bergabschnitte ist und wenigstens einer der Talabschnitte flacher als die anderen Talabschnitte ist, durch eine Verschiebungsrege1-schaltungseinrichtung zum Verschieben des Pegels der Mittellinie des Zittersignals, durch eine Antriebsschaltungseinrichtung zum Erzeugen eines Antriebsausgangssignals entsprechend dem Zittersignal zum Antreiben der Elektromagnet einrichtung, durch !^Stelleinrichtungen zum Abtasten der Konzentration eines Bestandteils der durch den Abgaskanal strömenden Abgase, durch eine Feststelleinrichtung mit Einrichtungen zum Unterscheiden des höheren Werts als ein Bezugswert entsprechend dem stöchiometrischen Luft-Brennstoff-Verhältnis von dem niedrigen Wert mit einer steilen Änderung, durch eine Beurteilungsschaltungseinrichtung zum Beurteilen der Gestalt der Wellenform des Ausgangssignals der Feststelleinrichtung und zum Vergleichen mit dem Zittersignal zum Feststellen eines

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aus dem Zittersignal entfernten Abschnitts zum Erzeugen eines Beurteilungssignals entsprechend dem festgestellten Abschnitt, durch eine Normperiodenerzeugungsschaltungseinrichtung zum Regeln der Periode des Zittersignals und des Betriebs der Beurteilungsschaltung, durch einen Motorgeschwindigkeitsfühler zum Verringern der Normperiode, wenn die Motorgeschwindigkeit ansteigt, und durch eine Verschiebungssignalerzeugungsschaltungseinrichtung, die wirksam ist, um ein Verschiebungssignal in Abhängigkeit von dem Beurteilungssignal zum Einstellen der Verschiebungsregelschaltungseinrichtung zu erzeugen.
2. System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Störungsbeseitigungsschaltungseinrichtung zum Beseitigen der in dem Ausgangssignal der Feststelleinrichtung enthaltenen Störung.
3- System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichu-l;, daß die Normperiodenerzeugungsschaltung den Betrieb der Siörunfsbeseitigungsschaltung steuert.
4-. System nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Verzögerungsschaltungseinrichtung zum Einstellen der Phase des Normsignals von der Normperiodenerzeugungsschaltung, so daß diese mit der Phase des festgestellten Signals zusammenfällt.
5. System nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß die Störungsbeseitigungsschaltung eine Differentiationsschaltungseinrichtung zum Differenzieren des festgestellten Signals und eine Einrichtung zum Vergleichen des differenzierten Signals mit dem Normsignal von der Verzögerungsschaltung zum Entfernen des differenzierten Signals, das nicht dem Normsignal entspricht, enthält.

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