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Be schreibun Verbrennungsmotor mit einer Einrichtung zur selbsttätigen
mengenmäßigen Beeinflussung der zugeführten Luft.
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Wie sich gezeigt hat, kann es aus versdtedenen Gründen zweckmäßig
sein, Verbrennungsmotoren mit einer Einrichtung zur selbsttätigen mengenmäßigen
Beeinflussung der über einen Ansaugkanal mit einer Drossel zugeführten Luft zu versehen.
Beispielsweise strebt man eine möglichst stabile und niedrige Leerlaufdrehzahl an,
die im wesentlichen nur von der zugeführten Luftmenge beeinflußt wird. Die Lösung
dieser Aufgabe wird dadurch erschwert, daß der Luftbedarf für konstante Leerlaufdrehzahl
des Motors unterschiedlich ist je nach der Temperatur. So wird beim kaltstart relativ
viel Luft benötigt, während die Luftmenge in der anschließenden Warmlaufphase vermindert
werden muß. Es ist bekannt, diesem Umstand durch Vorsehen eines zusätzlichen Luftschiebers
mit einem beheizten Bimetall-Steuerglied Rechnung zu tragen. Die Ste X ennlinien
dieser Steuerung können jedoch nicht ausschließlich im Hinblick auf konstante Drehzahl
gewählt werden, vielmehr müssen andere Faktoren Berücksichtigung finden, so daß
ein Kompromiß geschlossen werden muß.
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Außer an der Konstanz der Motordrehzahl während des stationären Leerlaufs
kann man bei Motoren, die eine Schubabschaltung oberhalb einer bestimmten Drehzahl
enthalten, daran interessiert sein, daß auch im Schubbetrieb nach Unterschreiten
der Wiedereinschaltdrehzahl eine konstante Drehzahl eingehalten wird.
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Weiterhin sind Felle denkbar, in denen nicht eine konstante Drehzahl,
sondern eine bestimmte Abhängigkeit der zugeführten Luftmenge von der jeweiligen
Motordrehzahl verlangt wird. Beißpielsweise kann dieses Problem im Rahmen der Maßnahmen
zur Abgasreinigung von Bedeutung sein.
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linie Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit einer Einrichtung
zur selbsttätigen mengenmäßigen Beeinflussung der über einen Ansaugkanal mit einer
Drossel zugeführten Luft. Die erfindungsgemäße Lösung des oben anhand von Beispielen
erläuterten Problems ist dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung eine die Drossel
als Stellglied einschließende Regeleinrichtung ist, die einen Drehzahlmesser für
die Motordrehzahl als Istwertgeber sowie ein diesem nachgeschaltetes, die Differenz
zwischen dem Istwert und einem Sollwert für die Motordrehzahl bildendes Glied enthält,
und in der ferner vor einem Verstellantrieb für die Drossel ein das Regelverhalten
bestimmendes Verknüpfungsglied vorgesehen ist. Vorzugsweise wird man einen elektronischen
Drehzahimesser verwenden.
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Während also bei der bekannten Beeinflussung die Luftmenge mittels
eines geheizten Bimetall-Steuergliedes eine Steuerung vorgenommen wird, erfolgt
bei der Erfindung eine echte Regelung, Oh. eine Rückmeldung des jeweiligen Istwertes
an die das Stellglied beeinflussenden Elemente des Regelkreises.
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Die Drossel kann ein Stellglied mit geradliniger Stellbewegung sein,
d.h. ein Schieber. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Drossel
jedoch mit ihrem Verstellantrieb als elektromechanisches Winkelstellglied ausgebildet.
Die Erfindung gestattet ferner, das Stellglied entweder nulisymmetrisch oder nicht-nullsmmetrisch
auszubilden. Im erstgenannten Falle ist das Stellglied, sobald die Motordrehzahl
den gewünschten Wert erreicht hat, stromlos für den warmen Motor, und die Drosselklappe
nimmt eine mittlere Stellung ein. Bei einem nicht-nullsymmetrischen Stellglied ist
dagegen auch beim Erreichen des Sollwertes der Motordrehzahl eine Erregung des Verstellantriebs
erforderlich. Die Ruhestellung der Drosselklappe entspricht hier ihrem voll geöffneten
oder voll geschlossenen Zustand.
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Wie bereits angeführt, enthält die erfindungsgemäße Anordnung ein
die Differenz zwischen dem Istwert und dem Sollwert für die Motordrehzahl bildendes
Glied. Dieses wird man als Differenz-Regelverstärker ausbilden.
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bEr den Anschluß des Verknüpfungsgliedes hat es sich als zweckmäßig
erwiesen, zwischen dem die Differenz bildenden Glied, also beispielsweise einem
Differenz-Regelverstärker, und dem Verstellantrieb für die Drossel einen Differenz-Leistungsverstärker
anzuordnen, der unter dem Einfluß des Verknüpfungsgliedes steht. Dieses Verknüpfungsglied
hat, wie im einzelnen noch erläutert wird, die Aufgabe, die Regelkennlinie festzulegen
und ggf. Steuergrößen auf die Regelgröße aufzuschalten.
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Eine vorteilhafte Schaltungsvariante für die Ausbildung des Differenz-eistungsverstärkers
zeichnet sich dadurch aus, daß der Differenz-Leistungsverstärker zwei Transistoren
enthält, deren Steuerelektrodenpotentiale sowohl von dem Ist- bzw. Sollwert als
auch von dem Verknüpfungsglied bestimmt sind.
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Wie bereits bei der Schilderung der Problemstellung ausgeführt, ist
der Grad der Beeinflussung der Luftmenge, also beispielsweise der Verlauf der Regelkennlinie,
abhängig von dem damit verfolgten Ziel.
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Dementsprechend lassen sich die im Rahmen der Erfindung zu treffenden
Ausbildungen des Verknüpfungsgliedes erschöpfend nicht aufzählen.
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Im folgenden werden einige Beispiele hierfür gegeben.
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Beispielsweise kann das Verknüpfungsglied so ausgelegt sein, daß im
stationären Leerlauf eine Regelung auf definierte,z.B. von der Motor temperatur
abhängige, oder konstante Motordrehzahl erfolgt.
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Handelt es sich um einen Verbrennungsmotor mit Schubabschaltung oberhalb
eines vorgegebenen Wertes der Motordrehzahl, so kann der Wunsch nach einer solchen
Auslegung des Verknüpfungsgliedes bestehen, daß nach Unterdrückung der Schubabschaltung
eine Regelung auf konstante Motordrehzahl erfolgt. Auch dieser Fall wurde im Rahmen
der Schilderung der Aufgabenstellung bereits erläutert.
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Der Schaltungsaufwand für eine derartige Verknüpfungsschaltung ist
verhältnismäßig gering. Eine für Regelung auf konstante Motordrehzahl sowohl im
stationären Leerlauf als auch nach Unterdrückung der Schubabschaltung geeignete
Ausbildung des Verknüpfungsgliedes zeichnet sich dadurch aus, daß das Verknüpfungsglied
einen Transistor enthält, der sowohl über einen Drosselklappenschalter als auch
von der Schubabschaltung her so angesteuert wird, daß er nur im stationären Leerlauf
und bei Unterdrückung der Schubabschaltung an die beiden Transistoren eines Differenz-Leistungsverstärke3ein
diese freigebendes Signal abgibt. Hier können also Bausteine der Schaltungsalgebra
Verwendung finden; beispielsweise kann der Transistor im Verknüpfungsglied zusammen
mit entsprechend gepolten Dioden ein nor-Gatter in Positiv-Logik bilden, Dem Verknüpfungsglied
können auch impulserzeugende Mittel sugeordnet sein, die beim Einsetzen des Schubbetriebes
den Verstellantrieb für die Drossel mit zusätzlichen Impulsen beaufschlagen, die
die Drossel kurzzeitig weiter öffnen. Diese Mittel können in geeigneten RC-Kombinationen
bestehen, die mit Kondensatorenladung im Augenblick des Einsetzens des Schubbetriebes
arbeiten. Mit dieser Aufschaltung von Steuerimpulsen auf das Regelglied können infolge
kurzzeitiger Erhöhung der angesaugten Luftmenge unerwünschte Kohlenwasserstoff-Spitzen
im Abgas zumindest vermindert werden.
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Das gilt auch beim Einsetzen einer Schubabschaltung.
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Wieder eine andere Ausführungsform der Erfindung weist die Merkmale
auf, daß dem Verknüpfungsglied Mittel zugeordnet sind, die bei Schubbetrieb oberhalb
einer Leerlauf-Grenzdrehzahl, bei der die Regelung unwirksam wird, den Verstellantrieb
für die Drosselmit einer zusätzlichen, mit zunehmender Motordrehzahl wachsenden
und die Drossel weiter öffnenden Steuergröße beaufschlagen (Zusatzluft-Steuerung).
Ein Vorteil einer derartigen Zusatzluft-Steuerung ist darin zn sehen, daß während
des Schubbetriebes die Kraftstoffzufuhr aus Gründen der Abgasreinigung nicht mehr
abgeschnitten werden muß, so daß eine Auskühlung des Motors bei Talfahrten vermieden
ist.
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In der Regel wird man hier mit einem in der Weise ausgelegten Verknüpfungsglied
auskommen, daß die Steuergröße linear mit der Motordrehzahl wächst, so daß der Regelkennlinie
eine lineare Steuerkennlinie überlagert ist.
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Es kann aber auch der Fall auftreten, daß die benötigte Luftmenge
nicht linear von der Motordrehzahl im Schubbetrieb abhängt. In diesem Falle könnte
man/sich das Verknüpfungsglied so auslegen, daß es den gewünschten nichtlinearen
Zusammenhang zwischen Motordrehzahl und Verstellung des Stellgliedes sicherstellt.
Diesen zusätzlichen Schaltungsaufwand kann man aber in vorteilhafter Weise vermeiden,
wenn man weiterhin dafür sorgt, daß die Steuergröße linear mit der Motordrehzahl
wächst und die Drossel eine Form besitzt, die die gewünschte nichtlineare Abhängigkeit
der Zusatzluftmenge von der Motordrehzahl erzeugt.
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Häufig ist man daran interessiert, daß der Regelkreis bei kurzzeitigen
Abweichungen der Motordrehzahl von ihrem Sollwert nicht anspricht. Um hier eine
gewisse Trägheit bzw. eine gewisse Verzögerungswirkung zu erzielen, wird vorgeschlagen,
daß die Regeleinrichtung Integrierglieder zur Einstellung der Regelzeitkonstante
enthält.
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Selbstverständlich muß durch geeignete Bedampfung im Kreise der Regelung
dafür gesorgt werden, daß der Regelkreis stabil ist und nicht zu Schwingungen neigt.
Dies kann durch geeignete Bemessung von Widerständen, beispielsweise in den Kreisen
der Steuerelektroden von Transistoren, geschehen.
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Die Erfindung erstreckt sich auch auf konstruktive maßnahmen im Bereich
des Ansaugkanals. Bei der bevorzugten Ausführungsform enthält diese eine - ggf.
mit dem Drosselklappenschalter verbundene -Hauptdrossel sowie einen diese überbrückenden
Regelbypass, in dem die das Regelglied bildende Drossel liegt. Hier erfolgt also
die Regelung unabhängig von und zusätzlich zu der mittels des Gaspedals erfolgenden
Steuerung der Luftzufuhr.
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Die Figuren zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung. Dabei gibt
Figur 1 das Blockschaltbild des Regelkreises wieder, während Figur 2 ein Ausführungsbeispiel
für den Aufbau wesentlicher Elemente des Regelkreises mit elektronischen Bauelementen
und Figur 3 eine mögliche Ausbildung des Verknüpfungsgliedes darstellt.
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Figur 4 dient zur Erläuterung der Wirksamkeit der Regelung und Figur
5 schließlich dient der Veranschaulichung einer möglichen konstruktiven Ausführungsform
für die Anordnung des Stellgliedes relativ zu der Hauptdrossel.
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Betrachtet man zunächst Figur 1, so wird dem Motor 1 über den Ansaugkanal
2 die zur Verbrennung des Kraftstoffes erforderliche Luftmenge zugeführt. In den
Ansaugkanal 2 ist als ein wesentlicher Bestandteil des Regelkreises das Stellglied
3 eingefügt, das in diesem Ausführungsbeispiel eine Drossel mit einem Verstellantrieb
ist, die zusammen ein elektromechanisches Winkelstellglied bilden.
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Zur Gewinnung einer dem Stellglied 3 zuzuführenden Regelgröße 4 wird
mittels eines Drehzahlmessers 5 die jeweilige Motordrehzahl ermittelt. Der Istwertgeber
5 gibt eine der jeweiligen Motordrehzahl proportionale Spannung Ul als Istwert ab.
Ferner ist ein Drehzahl-Sollwertgeber 5 vorhanden, der ebenfalls so ausgelegt ist,
daß er als Sollwert für die Drehzahl eine Spannung U2 liefert, Istwert Ul und Sollwert
U2 werden in diesem Ausführungsbeispiel dem Differenz-Verstärker 7 zugeführt, der
ausgangsseitig die Regelabweichung, d.h. die Differenz zwischen diesen beiden Spannungen,
in Form einer in einfacher Weise weiter zu verarbeitenden Größe abgibt.
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Diese Regelabweichung 8 gelangt an den Eingang des Differenz-Beis-tungsverstarkers
9, der ferner un-ter dem Einfluß des Verknüpfungsgliedes 10 steht. Das Verknüpfungsglied
10 sorgt für die gewünschte Form der Regelkennlinie und kann ferner dazu dienen,
der Regelkennlinie zusätzlich eine Steuerkennlinie zu überlagern.
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Figur 2 gibt eine schaltungsmäßige Auslegung des Differenz-Regelverstärkers
7 und des Differenz-Leistungsverstärkers 9 wieder. Ferner sind zwei weitere Schaltungsteile
durch Emrandung besonders hervorgehoben, nämlich der Sollwertgeber 20 an sich bekannter
Bauart sowie das Integrierglied 21, das zur Einstellung einer bestimmten Regelverzögerung
dient.
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Betrachtet man zunächst den Differenz-Regelverstärker 7, so sind seine
wesentlichen Elemente zwei Transistoren 22 und 23, deren Emitter- und Kollektorwiderstände
so dimensioniert sind, daß ein Schwingen des Verstärkers ausgeschlossen ist. Der
Basis des Transistors 22 wird über den Widerstand 24 von der Klemme 25 her die Spannung
Ul zugeführt, die, wie im Rahmen der Figur 1 erläutert, den Istwert der Motordrehzahl
wiedergibt. Die Basis des Transi -stors 23 greift an der Klemme 26 in dem Sollwertgeber
20 die dem Sollwert der Drehzahl entsprechende Spannung U2 ab. Der Sollwertgeber
enthält als wesentliches Element die Zenerdiode 27; die -gegebenenfalls temperaturabhängigen-Widerstände
28 und 29 bilden einen veränderbaren Spannungsteiler zum Einstellen der dem Sollwert
der Drehzahl entsprechenden Spannung U2. Zwischen den Punkten 30 und 30 a, d.h.
zwischen den beiden Kollektoren der Transistoren, liegt daher eine der Differenz
der beiden Spannungen U1 und U2 entsprechende Spannung, die über Widerstände den
Basel der Trans -storen 31 und 32 in dem Differenz-Leistungsverstärker 9 zugeführt
wird. Die verstärkte Ausgangs spannung dieses Leistungsverstärkers wird als Regelgröße
4 dem Stellglied 3 zugeführt, wie bereits anhand Figur 1 erläutert wurde.
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Die die Steuerelektroden bildenden Basen der Transistoren 31 und 32
sind ferner mit den Klemmen 34 und 35 des Verknüpfungsgliedes 10 verbunden, so daß
die Arbeitsweise des Differenz-Leistungsverstärkers 9 außer von der Regelabweichung
auch von dem durch die Ver1üpfungs schaltung gegebenen "Programm" abhängig ist.
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Kurzzeitige Abweichungen des Istwertes der Drehzahl von dem Sollwert
werden durch das Integrierglied 21 unterdrückt. Dieses besteht aus dem Kondensator
36 parallel zum Eingang für Ul und dem in dem Längszweig liegenden Widerstand 24.
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Figur 3 zeigt nun ein Ausführungsbeispiel für den Aufbau des Verknüpfungsgliedes
10. Den wesentlichen Bestandteil bildet der Transistor 40, dem in diesem Ausführungsbeispiel
die Dioden 41 bis 44 in solcher Anordnung und Polung zugeordnet sind, daß ein nor-Gatter
in Positiv-Logik vorliegt. In dem in Figur 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist darauf
verzichtet, die Arbeitsweise des Verknüpfungsgliedes auch von der jeweiligen Regelabweichung
abhängig zu machen.
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Dieser Fall ist an sich in Figur 2 angedeutets Über die Klemmen 37
und 38 ist dort das Verknüpfungsglied 10 auch mit der Klemme 25 und dem Sollwertgeber
20 verbunden.
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Die Wirklulgsweise des Verknüpfungsgliedes 10 im Zusammenhang mit
dem Differenz-Leistungsverstärker 9 gemäß Figur 2 ist folgende: Die Transistoren
31 und 32 des Leistungsverstärkers 9 sind nur dann durchgeschaltet, wenn die Drosselklappe
DK (siehe Figur 3) geschlossen ist und die Klemme SA ebenfalls Nullpotential führt;
anderenfalls waren die Transistoren 31 und 32 vom Nullpotential über die Dioden
41 und 42 im Verknüpfungsglied gesperrt. Diese Bedingungen für die Klemme SA und
den Drosseiklappenschalter DK liefert das in diesem Ausführungsbeispiel vorausgesetzte
elektronische Steuergerät für die Kraftstoffeinspritzung mit Schubabschneidung oberhalb
einer vorbestimmten Drehzahl. Die Bedingungen besagen, daß für das Vorhandensein
der Regelung, sofern im Schub gefahren wurde, diejenige Drehzahl wieder unterschritten
sein muß, bei der die Schubabschaltung unterdrückt wird.
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Das nullsymmetrisobe Winkelstellglied 3 (s. Figur 1) befindet sich
dagegen in einer stromlosen Ilittellage, wenn der Drosselklappen schalter DK geöffnet
oder die Schubabschneidung SA wirksam ist.
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In diesem Falle ist nämlich der Transistor 40 von DK oder SA her durchgeschaltet,
so daß über die Dioden 41 und 42 die Transistoren 31 und 32 im sperrenden Sinne
beeinflußt werden.
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Es kann zweckmäßig sein, zur Vermeidung von Regelschwingungen infolge
drehzahl- und saugrohrabhängiger Steuerung der Eraftstoffeinspritzung dafür zu sorgen,
daß während der Dauer des Regelvorganges mit konstanter Einspritzdauer gearbeitet
wird.
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Figur 4 zeigt den zeitlichen Verlauf der Regelung in Abhängigkeit
von der Stellung der über die Klemme SA sowie den Drosselklappenschalter DK anstehenden
Potentiale. Als Kriterium für die Wirksamkeit bzw. die Unterdrückung der Regelung
dient dabei das Potential an der Klemme 45 in dem Verknüpfungsglied 10 (vergl. Figur
3). In den Betriebsfällen, in denen entweder der Drosselklappenschalter DK geöffnet
ist oder an der Klemme SA ein von Null abweichendes Potential liegt, ist der Transistor
40 durchgeschaltet, und demzufolge ist das Potential -an der Klemme 45 so niedrig,
daß die Transistoren 31 und 32 im Differenz-Leistungsverstärker gesperrt sind (vergl.
Figur 2).
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Diese Sperrung kann durch eine Diode 39 im gemeinsamen Emitterkreis
der Transistoren 31 und 32 unterstützt werden.
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Die zugehörigen Arbeitsbereiche des Motors läßt Figur 4 erkennen:
Es handelt sich um die Bereiche b und c, d.h. um Belastung und Schubbetrieb. Figur
4 zeigt die Potentiale an den Klemmen SA und 45 sowie das über dem Drosselklappenschalter
DK anliegende Potential, aufgetragen über der Zeit.
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Dagegen ist in dem Bereichen a und d,- die dem stationären Leerlauf
und dem Wiedereinsetzen der Kraftstoffzufuhr nach Unterschreiten einer Drehzahl,
bei der die Schubabschaltung wirkungslos gemacht entsprechen, wird, der Transistor
40 gesperrt, so daß das Potential an der Klemme 45 und damit das Potential an den
Basen der Transistoren 31 und 32 im Differenz-Leistungsverstärker so liegt, daß
der Leistungsverstärker und damit die Regelung arbeitet.
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Zusätzlich zu dieser echten Regelung kann auf die Regelkennlinie nun
eine Steuergröße aufgeschaltet werden, beispielsweise über die Klemmen 37 und 38
(vergl. Figur 2).
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Figur 5 schließlich zeigt die konstruktive Anordnung der das Stellglied
bildenden Drosselklappe 50 im Rahmen des Ansaugkanals 5; für die Luft. Der Ansaugkanal
weist den Hauptzweig 52 sowie den Bypass 53 auf, ler den Hauptsweig in seinem die
Hauptdrossel 54 enthaltenden Bereich überbrückt. Mit 55 ist die Verstellanordnung
für die Drossel 50 bezeichnet; die Drossel 50 und die Verstellanordnung 55 bilden
zusammen das Verstellglied des Regelkreise3.
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Während also die Stellung der Drossel 50 von der jeweiligen Regelabweichung
und sgf. zusätzlichen Steuerbefehlen, die von dem Verknüpfungsglied 10 gegeben werden,
abhängt, ist die Stellung der Hauptdrossel durch das Gaspedal bestimmt.