CH655360A5 - Verfahren zum betrieb einer brennkraftmaschine. - Google Patents

Description

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PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, bei dem Steuer- und Regeigrössen ermittelt werden, wobei der Ermittlung einzelne Betriebskenngrössen zugrundegelegt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Regeigrössen jeweils unmittelbar vor ihrem Bedarf individuell rechnergesteuert ermittelt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Steuer- oder Regelgrösse Schaltpunkte des Anlassvorganges, insbesondere der Anlassventile, ermittelt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig vom zuzumessenden Kraftstoffvolumen die Zumessdauer und der Zumessbeginn ermittelt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung der Spritzdauer abhängig vom Kraftstoffdruck erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der berechnete Kraftstoffvolumenwert einer Kleinstwertauswahlstufe (26,30) zugeführt wird, die als weitere Eingangsgrössen Kennfeldwerte für die Grenzmenge bezüglich wenigstens einer der Grössen: Abgaszusammensetzung, Ladeluftdruck und maschinenbezogene und/oder zylinderbezogene Kraftstoffmenge verarbeitet.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kennfeldwerte für die Grenzmenge abhängig vom Schaltzustand eines Notmanöver-Schalters (38) sind.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass über eine Zylinderauswahlstufe (24,16) die Drehrichtung der Brennkraftmaschine gesteuert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Programm des Rechners den Start des nächsten entsprechenden Programms bestimmt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl in zeitlich konstanten Intervallen erfasst wird.

10. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spritzbeginn als Winkelgrösse bezogen auf feste Kurbelwellenwinkelpositionen bestimmt wird.

Während die heute in Serie gebauten Dieselmotoren nahezu ausschliesslich mechanische Regler aufweisen, werden in der technischen Literatur auch zunehmend elektronisch gesteuerte Regler beschrieben, bei denen dann die einzelnen Betriebskenngrössen der Brennkraftmaschine Eingangssignale einer Signalverarbeitungseinheit sind und deren Ausgangsgrösse die Stellung der Regelstange der Einspritzpumpe bestimmt. Dabei wird zunehmend auf einen Rechner als Signalverarbeitungseinheit zurückgegriffen, da er eine Vielzahl von Variations- und Eingriffsmöglichkeiten bietet. Während darüber hinaus bei heutigen Einspritzanlagen rein mechanische Ventile verwendet werden und die eingespritzte Menge letztlich vom Druck des zur Verfügung gestellten Kraftstoffs abhängt, empfiehlt es sich, insbesondere bei relativ langsam laufenden Dieselmotoren Magnetventile vorzusehen, die eine genauere Kraftstoffzumessung gestatten. Dabei werden in den Signalverarbeitungseinheiten dann Einspritzzeiten gebildet und die verschiedenen Einspritzventile abhängig von den ermittelten Werten und synchron zu Kurbelwellenwinkeln angesteuert. Es hat sich nun gezeigt, dass die bekannte «globale» Ansteuersignalermittlung für die einzelnen elektromagnetischen Einspritzventile nicht ausreicht, um alle Zylinder mit der optimalen Kraftstoffmenge zu versorgen und damit die Brennkraftmaschine insgesamt zu optimieren.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemässe Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass die einzelnen s Ansteuersignale individuell an die Erfordernisse z.B. einzelner Zylinder angepasst werden können und somit die Brennkraftmaschine optimal arbeiten kann. Des weiteren ermöglicht das Verfahren eine getrennte Steuerung der Ventile einzelner Zylinder. Dies kann z.B. nach einer Reparatur io einzelner Elemente der Brennkraftmaschine von Vorteil sein, wenn unterschiedliche Zylinder der Brennkraftmaschine mit unterschiedlicher Leistung betrieben werden sollen.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Massnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbes-xs serungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens möglich. Als besonders vorteilhaft hat sich z.B. erwiesen, wenn zuerst anhand der einzelnen Betriebskenngrössen das zuzumessende Kraftstoffvolumen bestimmt wird und anschliessend abhängig vom herrschenden Kraftstoff-20 druck die notwendige Einspritzdauer.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher 2s erläutert. Es zeigen Figur 1 ein Blockschaltbild des erfin-dungsgemässen Verfahrens, Figur 2 eine Blockdarstellung eines an sich bekannten, jedoch auf die Erfordernisse der vorliegenden Erfindung abgestimmten Rechners und in Figur 3 ein Impulsdiagramm zur Verdeutlichung der einzelnen 30 Ablauffolgen.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Figur 1 zeigt als Blockschaltbild die Signalverarbeitungseinrichtung einer Dieselbrennkraftmaschine mit elektromag-35 netischen Einspritz- und Anlassventilen, wobei der Kraftstoffdruck geregelt und die Drehrichtung der Brennkraftmaschine geändert werden kann. Die Einspritzventile der nicht dargestellten Brennkraftmaschine sind dabei mit 10 bezeichnet, die Anlassventile mit 11 und ein Winkelgeber 40 (Resolver) mit 12. Ein Drehzahlregler trägt die Bezugszahl 13 und ihm folgt mittelbar eine Spritzbeginnsteuerstufe 14 sowie eine Einspritzdauer-Berechnungsstufe 15. Diese ist wiederum ausgangsseitig über eine Zylinderauswahlstufe 16 und die einzelnen Endstufen 17 mit den Einspritzventilen 10 ver-45 bunden. Im einzelnen ergibt sich der folgende Aufbau:

Der Winkelgeber 12 erhält von einem Oszillator 20 ein Wechselspannungssignal und gibt ausgangsseitig die Information über einen Signalwandler 21 an eine Verteilerleitung so 22 ab. Mit dieser Leitung ist eine Drehzahlberechnungsstufe 23, eine Zylinderauswahlstufe für das Anlassen 24, eine Drehrichtungserkennungsstufe 25, sowie die Zylinderauswahlstufe für das Einspritzen 16 gekoppelt. Ausgangsseitig führen von der Drehzahlberechnungsstufe 23 je eine Leitung 55 zur Zylinderauswahlstufe für das Anlassen 24 sowie zum Drehzahlregler 13, der Spritzbeginnsteuerstufe 14 sowie einer Einspritzvolumen-Kleinstwertauswahlschaltung 26. Weitere Eingangsgrössen der Zylinderauswahlstufe für das Anlassen 24 sind Drehrichtungssignale von der Drehrichtungserken-60 nungstufe 25 sowie Grenzwerte für die maximale Drehzahl für den Anlassbeginn und das Anlassende, ferner ein Wert bezüglich der Anlassdauer der gewünschten Drehrichtung und ein Signal von einem Anlassschalter 27. Vom Ausgang der Zylinderauswahlstufe für das Anlassen 24 führt eine Lei-65 tung 28 bzw. eine Vielzahl von Leitungen je nach Anzahl der Anlassventile, zu den Endstufen 29, die wiederum mit den Magnetwicklungen der einzelnen Anlassventile 11 gekoppelt sind. Zwischen dem Drehzahlregler 13, der als P-1- D-Regler

oder einer Kombination anderer Regelalgorithmen dieser einzelnen Reglerarten ausgebildet sein kann und der Berechnungsstufe 15 für die Einspritzdauer liegt noch eine Minimalwert-Auswahlstufe 30 für das maximal zulässige und das vom Drehzahlregler 13 vorgegebene Einspritzvolumensignal. Dabei wird das maximal zulässige Einspritzvolumensignal aus der Einspritzvolumen-Kleinstwertauswahlschaltung 26 gewonnen. Ihre Eingangsgrössen stammen von einem ersten Kennfeld 31, von einem zweiten Kennfeld 32 sowie von zwei Eingangsklemmen 33 und 34. An diesen beiden Klemmen liegen Maximalwert-Signale für einzelne Zylinder sowie ein Gesamtmaximalwert-Signal an. Das Kennfeld 31 enthält die maximal zulässigen Einspritzvolumenwerte abhängig z.B. von der Abgaszusammensetzung oder dem Ladeluftdruck. Die entsprechenden Signale werden über eine Eingangsklemme 35 zur Verfügung gestellt. Im zweiten Kennfeld 32 sind die maximalen Einspritzvolumenwerte über der Drehzahl aufgetragen. Zu diesem Zweck ist ein Eingang 36 des Kennfelds 32 mit dem Ausgang der Drehzahlberechnungsstufe 23 verbunden. Ein zweiter Eingang 37 des Kennfelds 32 erhält Signale von einem Schalter 38 für ein sogenanntes Notmanöver. Im Kennfeld 32 selbst sind mindestens zwei Kurven der maximalen Einspritzmenge über der Drehzahl enthalten, wobei die tiefer liegende Kurve die normale Mengenbegrenzung bezogen auf die Drehzahl darstellt. Im Falle eines Notmanövers, z.B. bei Schiffsanwendung der Maschine, wird nach dem Motto «Schiff vor Maschine»

diese Mengenbegrenzung in Richtung grösserer Leistung, wenn auch geringer Sicherheit für die Maschine, verschoben, so dass für diese Notfälle die Brennkraftmaschine mit erhöhter Leistung arbeiten kann. Als Beispiel sei hier ein Bremsmanöver mit umgesteuerter Drehrichtung und hoher Drehzahl des Propellers genannt. Neben einem Eingang 36 für die Ist-Drehzahl kann dem Kennfeld 32 auch noch über einen Eingang 39 ein Signal vom Anlassschalter 27 zugeführt werden, um auch in problematischen Fällen ein günstiges Anlassverhalten der Brennkraftmaschine zu bekommen.

An einem weiteren externen Eingang 40 liegt ein Soll-Drehzahlwert an, der z.B. über ein Potentiometer gewonnen werden kann und dem Drehzahlregler 13 sowie einem ersten Eingang 41 eines Druck-Kennfeldes 42 zugeführt wird. Insbesondere bei grossen Dieselmotoren muss dem Kraftstoffdruck zur Steuerung des Spritzverlaufs grosse Aufmerksamkeit geschenkt werden.

Das Kennfeld 42 ist der erste Teil einer Serienanordnung von Kennfeld, Vergleicher 43, Druckregler 44, Leistungsver-stärker 45, Hochdruckpumpe 46, Hochdruckspeicher 47, Drucksensor 48 und Drucksignalwandler 49. Dabei erhält das Kennfeld 42 noch einen zweiten Eingangswert vom Ausgang des Vergleichers 30 und der dem Kennfeld 42 nachgeschaltete Komparator 43 zusätzlich ein Maximalwertsignal von einem externen Anschlusspunkt 50. Der Druckregler 44 verarbeitet die Ausgangssignale des Komparators 43 als Drucksollwert und des Druckwandlers 49 als Druckistwert. Zusätzlich steht der Ausgang des Druckwandlers 49 noch mit einem der Eingänge der Berechnungsstufe für die Einspritzdauer 15 in Verbindung.

Vorteilhaft kann auch nach dem Druckregler 44 ein Begrenzer sein. Die Einspritzdauer bestimmt sich in der Berechnungsstufe 15 nach der Formel

EV

ED = p=^-

c • vHpë

wobei ED die Einspritzdauer angibt, EV das Einspritzvolumen, pE den Einspritzdruck und C eine Motorkonstante, die über einen Eingang 51 der Berechnungsstufe 15 zugeführt

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wird. Der berechnete Einspritzdauerwert gelangt zur Zylinderauswahlstufe für das Einspritzen 16, der zusätzlich ein Drehrichtungserkennungssignal von der entsprechenden Drehrichtungserkennungsstufe 25 sowie ein Winkelsignal für s den Einspritzbeginn vom Kennfeld 14 und ein Winkelsignal von der Leitung 22 zugeführt wird. Diese Zylinderauswahlstufe 16 besteht aus Logikgliedern und beaufschlagt die nachfolgenden Endstufen 17 für die einzelnen Einspritzventile in der gewünschten Reihenfolge, zum ermittelten Einspritzbe-lo ginn sowie für die berechnete Dauer. Die Kraftstoffversorgung der Einspritzventile 10 erfolgt über eine Druckleitung 53 aus dem Hochdruckspeicher 47.

Wesentlich am Gegenstand von Figur 1 ist die aufeinanderfolgende Berechnung von Spritzdauer und Spritzbeginn is jeweils für einen betreffenden Zylinder sowie die Steuerung der Zylinderfolge und die Druckregelung.

Der Drehzahlregler 13 bestimmt abhängig von Soll- und Istwert der Drehzahl ein entsprechendes Einspritzvolumensignal, welches nachfolgend mit verschiedenen Maximal-20 mengensignalen verglichen wird, und das zur Berechnung der Einspritzdauer sowie des Spritzbeginns dient. Diese beiden Werte (Spritzdauer und Spritzbeginn) werden über die Zylinderauswahlstufe 16 letztlich zur Steuerung der elektromagnetischen Einspritzventile 10 herangezogen. Die 2s Auslösung der Einspritzvorgänge erfolgt beim Auftreten eines bestimmten Kurbelwellenwinkels, der wiederum einen bestimmten im jeweiligen Moment massgeblichen Zylinder kennzeichnet.

Eine entsprechende Zylinderauswahlstufe für das 30 Anlassen ist den Endstufen für die Anlassventile 29 vorgeschaltet, über die Druckluft als Anlasshilfe in die einzelnen Zylinder eingeleitet wird. Die Steuerung der Anlassventile erfolgt auch über die Zylinderauswahlstufen abhängig von Maximalwerten der Drehzahl für den Anlassbeginn, das 35 Anlassende sowie für die Anlassdauer.

Die Kurbelwellenwinkelsteilung wird mittels eines sogenannten Resolvers 12 erfasst. Sein Ausgangssignal entspricht unabhängig von der Drehzahl, somit auch im Ruhezustand der Brennkraftmaschine, der jeweils gerade bestehenden 40 Winkelstellung der Kurbelwelle oder einer sonstigen Maschinenwelle. Diese Resolver sind seit langem bekannt und im Handel erhältlich.

Die Blockdarstellung von Figur 1 verdeutlicht die verschiedenen Regelungs- und Berechnungsvorgänge der erfindungs-45 gemässen Einrichtung. Die einzelnen Blöcke stellen den Durchschnittsfachmann auf diesem Gebiet nicht vor irgendwelche Realisierungsprobleme, da die Funktionsweisen dieser einzelnen Blöcke eng begrenzt und relativ einfach sind.

Im Hinblick auf eine angestrebte zunehmende Rechner-50 Steuerung einzelner Betriebskenngrössen zeigt Figur 2 ein Blockschaltbild eines Rechners mit im Hinblick auf den Erfindungsgegenstand wesentlichen Eingabe- und Ausgabe-Einheiten.

In Figur 2 ist mit 60 die CPU (Central Processing Unit) 55 bezeichnet, mit 61 ein RAM und mit 62 ein ROM. Alle drei Einheiten stehen mit einem Bus A 63 in Verbindung, der Daten-, Adressen- und Steuerleitungen umfasst. Ein zweiter Bus B trägt die Bezugszahl 64. Er wird vom Drehmelder bzw. Resolver 12 über den Wandler 21 mit Kurbelwellenwinkel-60 Signalen gespeist. Zwischen den beiden Bussen 63 und 64 sind ein Zeitgeber 65, sechs Ports 66 bis 70, drei Vergleicher 71 bis 73 sowie ein zweiter Zeitgeber 74 sowie eine Ablaufsteuerung 75 eingezeichnet. Dabei sind die einzelnen Ports mit Bus 63 und die Vergleicher mit Bus 64 und den einzelnen Ports 67 bis 65 69 verbunden.

Der erste Zeitgeber 65 dient der Taktsteuerung des Rechners und startet mittels eines Interupt-Signals 1 zu festen Zeitabständen ein Drehzahlerfassungsprogramm. In diesem Pro

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grammteil wird der Kurvenwellenwinkel von Bus über Port I 66 eingelesen. Durch die Differenzbildung mit dem vorhergehenden Winkelwert erhält man in Verbindung mit einem Zeitsignal einen drehzahlproportionalen Wert. Der jeweils gebildete neueste Drehzahlwert steht fortlaufend für die jeweils neuesten Berechnungsvorgänge zur Verfügung, so dass die Berechnungsergebnisse jeweils auf die neuesten Werte abgestimmt sind.

Port II 67a in Verbindung mit dem Vergleicher 71 dient der Anlassventilsteuerung für den Anlassvorgang. Dabei wird über Port II ein bestimmter Winkelwert ausgegeben. Erreicht der Kurbelwellenwinkel auf Bus B 64 diesen Wert, wird von Vergleicher 1 ein Interupt-Programm 2 gestartet. In diesem Programmteil werden über Port 67b und nicht gezeichnete Leistungsstufen die entsprechenden Anlassventile geöffnet bzw. geschlossen. Anschliessend wird der nächste Auslösewinkel abgestimmt auf die momentane Drehzahl, die Zylinderzahl usw. berechnet und am Ende des Programmteils über Port II ausgegeben. Bei der nächsten entsprechenden Kurbelwellenstellung erfolgt dann wieder ein Programmstart und das nächste Anlass ventil wird geöffnet bzw. geschlossen.

Die Steuerung der Anlassventile beim Anlassbeginn und der erste Auslösewinkel ein besonderes Programm berechnet. Dafür muss der Kurbelwellenwinkel auch bei stillstehendem Motor eingelesen werden.

Das Reglerprogramm zur Regelung der Drehzahl wird bei einem über Port III 68 vorgegebenen Winkel durch den Vergleicher 2 (72) gestartet. Dies erfolgt kurz vor jeder neuen Einspritzung. Während des Reglerprogramms erfolgt die Berechnung der Einspritzzeit nach einem bestimmten Regelalgorithmus unter anderem abhängig von der Drehzahl-Soll-Istwertabweichung. Durch die besondere Drehzahlerfassung kann dabei ein schneller Regler (z.B. P-Regler) mit kleinerer Genauigkeit und ein langsamer Regler (z.B. I-Regler) mit grosser Genauigkeit nachgebildet werden. Zusätzlich werden besondere Betriebsparameter, z.B. während des Anlassvorganges Grenzwerte usw., mit berücksichtigt. Siehe hierzu Figur 1. Die berechnete Einspritzzeit wird dann über eine Leitung 77 in den Zeitgeber 74 geladen.

Nach der Darstellung von Figur 1 hängt der Einspritzbeginn vom Einspritzmengensignal und von der Drehzahl ab. Weitere Parameter sind natürlich möglich. Über Port IV 69 wird dieser Winkelwert des Spritzbeginns an den Vergleicher

73 gelegt. Port V 70 dient der Zylinderauswahl bzw. der Auswahl des jeweils massgebenden Einspritzventils. Spricht der Vergleicher 73 bei einer Übereinstimmung des berechneten und tatsächlichen Winkel werts an, dann wird der Zeitgeber

74 gestartet und über die Ablaufsteuerung 75 ein Einspritzimpuls für ein bestimmtes Einspritzventil ausgegeben. Bei grosser Zylinderzahl kann dieser Schaltungsteil mehrfach notwendig werden im Hinblick auf möglicherweise auftretende Überlappungen.

Am Ende dieses Programmteils wird über Port III 68 der nächste Auslösewinkel geladen, der dann wiederum das nächste Reglerprogramm beim Auftreten dieses Winkels startet.

Zweckmässigerweise erhält bei den Interupt-Programmen das Drehzahlerfassungsprogramm die höchste Priorität. Es folgen an zweiter Stelle die Anlassventilsteuerung und an dritter Stelle das Reglerprogramm. Bei dieser Interupt-Folge entstehen keine Zeitverzögerungen bei der Drehzahlerfassung und der Steuerung der Einspritzventile. Die Verzögerung bei der Steuerung der Anlass ventile ist vernachlässigbar klein.

Das Kurbelwellenwinkelsignal auf Bus B 64 kann durch s verschiedene Geber erzeugt werden. Beispielhaft seien genannt ein Drehmelder mit Analog-Digital-Wandler, ein optischer Kodiergeber oder ein Inkrementgeber mit Zähler.

Die Ein- und Ausgabe von Sollwerten, Start-, Stop-Signalen, Grenzwerten, Anzeigewerten usw. erfolgt über wei-10 tere Ports. Sie sind in Bild 1 nicht dargestellt, da dies in für den Fachmann bekannter Weise erfolgt.

Figur 3 zeigt ein Ablaufdiagramm der Einrichtungen von Figur 1 und 2.

In Figur 3a ist der Kurbelwellenwinkel aufgetragen sowie 15 der obere Totpunkt der einzelnen Zylinder einer Drei-Zylinder-Maschine.

Figur 3b zeigt ein zeitgesteuertes Drehzahlerfassungsprogramm mit zeitkonstanten Programmabständen.

Das Auftreten der Anlassventilsteuerprogramme ist in 20 Figur 3c dargestellt. Im einfachsten Fall bestehen diese Programme lediglich aus dem Abfragen und Abspeichern bestimmter Winkelstellungen. Sie können jedoch auch eine Signalverarbeitung umfassen, um die Anlassventile z.B. drehzahlabhängig zu steuern.

25 Die folgenden drei Kurvenzüge d 1, d2 und d3 kennzeichnen das Auftreten der einzelnen Anlassventilsteuerimpulse und den zeitlichen Zusammenhang mit den in Figur 3c dargestellten Anlassventilsteuerprogrammen. Wesentlich ist, dass das laufende Programm jeweils den Beginn des nächsten 30 Programms bestimmt.

Figur 3e zeigt, aufgetragen über dem Kurbelwellenwinkel, das Auftreten des Reglerprogramms, wobei auch hier wieder das vorangehende Reglerprogramm den Beginn des nächsten festlegt.

35 Schliesslich ist in Figur 3f die Lage der Einspritzimpulse bezüglich des oberen Totpunktes der einzelnen Kolben dargestellt. Dabei muss gewährleistet sein, dass das Ende eines Reglerprogramms in jedem Fall vor der Winkelposition des frühestmöglichen Einspritzbeginns liegt.

40 Ein Vergleich der beiden Linienzüge von Figur 3e und 3f macht das Verhältnis der erforderlichen Rechenzeiten für das Reglerprogramm zu den Einspritzzeiten deutlich. Nach dieser Darstellung hat das Regelgerät zwischen dem Ende eines Einspritzimpulses und dem Beginn des nächsten ausrei-45 chend Zeit, Spritzdauer und Spritzbeginn zu berechnen. Dies macht die besondere Verwendbarkeit der Einrichtung vor allem bei relativ langsam laufenden Brennkraftmaschinen deutlich, was besonders bei Gross-Dieselmaschinen der Fall ist. Bei ausreichend kleiner Rechenzeit lässt sich die erfin-50 dungsgemässe Einrichtung jedoch auch bei weniger langsam laufenden Maschinen verwenden, unabhängig von der Kraftstoffart, d.h. sowohl bei Diesel- als auch bei Benzin-betrie-benen Brennkraftmaschinen. Darüber hinaus lässt sich die Anordnung prinzipiell auch bei Otto-Motoren mit je einem 55 Vergaser pro Zylinder auf die jeweiligen Erfordernisse und bei Gas-Motoren anwenden.

Dabei liegt der Hauptvorteil der Einrichtung in einer abgestimmten Berechnung von Zumessdauer und Zumessbeginn. Es versteht sich von selbst, dass diese Einrichtungen eine äus-60 serst schnelle Reaktion der Brennkraftmaschine auf sich ändernde Gegebenheiten erlauben.

B

3 Blatt Zeichnungen