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DE2414761A1 - Verfahren zur verminderung der giftigen anteile im abgas - Google Patents

Verfahren zur verminderung der giftigen anteile im abgas

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DE2414761A1
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exhaust gas
switch
gas recirculation
valve
probe
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Helmut Maurer
Franz Rieger
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Description

24H761
R. 19 99
IH.2.1974 Su/Kb
Anlage zur
Patent- und
Gebrauchsmusterhilfsanmeldung
ROBERT BOSCH GMBH, 7 Stuttgart 1
Verfahren zur Verminderung der giftigen Anteile im Abgas
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verminderung der giftigen Anteile, insbesondere Stickoxide, im Abgas von Brennkraftmaschinen durch Rückführung eines Teils der Abgase zur Saugseite des Motors mittels einer Abgasrückführleitung, die durch ein Ventil steuerbar ist.
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Die Abgasrückführung dient in erster Linie zur Reduzierung des giftigen NO -Anteils bei Teillastbetrieb des Motors. Bezogen auf die vom Motor angesaugte Prischluftmenge werden zwischen 2 und 20 % A'Dgas zurückgeführt. Das die Abgasrückführleitung steuernde "Ventil wird entweder in Abhängigkeit des Saugrohrunterdrucks oder der Drosselklappenstellung betätigt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Abgasrückführung auf Punktionsfähigkeit zu überwachen. Hierbei sollte gleichfalls ein Bruch der Abgasrückführleitung überprüfbar sein. Das Fahrverhalten wird bei einem solchen Rohrbruch nur im Leerlauf und niederen Drehzahlbereich gestört; ansonsten wird bei Ausfall der Abgasrückführung das Fahrverhalten eher besser als schlechter.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der rückgeführte Abgasstrom als Führungsgröße eines mit elektrischen Mitteln arbeitenden Überwachungs- und Kontrollsystems dient, das ein optisches und akustisches Warnsignal steuert, wobei vorteilhafterweise die Abgasrückführung nur bei Teillast des Motors erfolgt und wobei als Maß für den Lastbereich die Drosselklappenstellung dient.
Nach einer besonders kostengünstigen Ausgestaltung der Erfindung ist in der Abgasrückführleitung stromauf des Ventils und eines möglicherweise angeordneten Filters eine Blende angeordnet, die einen elektrischen Differenzdruckschalter steuert, der,wenn keine Abgasrückführung erfolgt, geschlossen ist und der im Stromkreis des Warnsignals angeordnet ist.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung dient zur überwachung des rückgeführten Abgasstroms eine Abgasmeß-.sonde, insbesondere Sauerstoffsonde. ·
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Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1, 2 und 3 ein erstes Ausführungsbeispiel in drei
Varianten und
Fig. ky 5 und 6 das zweite Ausführungsbeispiel mit vergrößerter Darstellung der Sonde und einem Schaltplan für das elektronische Steuergerät.
Einer Brennkraftmaschine (Motor) 1 wird über einen Filter 2 und ein Saugrohr 3 Frischluft zugeführt. Die Abgase des Motors werden in einer Leitung 4 gesammelt und über einen Schalldämpfer 5 und möglicherweise Katalysatoren zur Abgasentgiftung ins Freie geleitet. Abgasleitung 4 und Saugrohr 3 sind durch eine Abgasrückführleitung 6 miteinander verbunden, über die ein Teil der Abgase, insbesondere im Teillastbereich, zur Saugseite des Motors geleitet werden. Der Durchgang der Abgasrückführleitung ist durch ein Magnetventil 7 gesteuert, wobei der Querschnitt entweder analog der Teillast mehr oder weniger freigegeben wird oder voll "auf-zu" steuerbar ist. Die Ansteuerung des Magnetventils
7 erfolgt durch nicht näher zu beschreibende Mittel, wie beispielsweise die Drossalklappe oder einen Saugrohrdruckmesser. In Strömungsrichtung vor dem Magnetventil 7 ist ein Filter 8 in der Abgasrückführleitung 6 angeordnet, durch den Schmutzteilchen, wie Ruß, zurückgehalten werden sollen, die ein Festsetzen des Magnetventils 7 verursachen könnten.
Bei dem in den Figuren 1 bis 3 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel ist in der Abgasrückführleitung 6 stromauf des Filters
8 eine Blende 10 angeordnet, die einen gewissen Druckabfall
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bei strömenden Gasen bewirkt. Der Druck vor und nach der Blende 10 wird einem Differenzdruckschalter 11 zugeführt,, der^solange keine Gase strömen, also solange keine Druckdifferenz an der Blende 10 herrscht^ geschlossen ist. Der Schalter 11 ist Teil eines elektrischen Schaltkreises 12, der eine Kontrollampe 13 schaltet. Solange demnach Abgase rückgeführt werden, ist der Differenzdruckschalter 11 geöffnet und die Lampe 13 kann nicht brennen. Im elektrischen Schaltkreis ist ein weiterer Schalter Ik angeordnet und zwar in'UND-Schaltung1' zum Schalter 11. Dieser Schalter IiI ist nur bei Vollast geöffnet, unterbricht also bei Vollast den Stromkreis. Seine Betätigung erfolgt über ein Gestänge 15 durch die Drosselklappe 16.
Die Überwachungsanlage arbeitet wie folgt:
Im Leerlauf ist das Magnetventil 7 geschlossen, so daß keine Abgasrückführung erfolgt. Der elektrische Schaltkreis 12 ist ebenfalls geschlossen, so daß die Punktionstüchtigkeit der nun brennenden Lampe 13 sowie der ganzen Schaltung kontrollierbar ist. Brennt die Lampe 13 nicht, so ist sie entweder kaputt oder es liegt eine Abgasdurchströmung der Blende 10 vor, wie sie beispielsweise bei einem Rohrbruch der Abgasrückführleitung 6 in dem Abschnitt zwischen Magnetventil und Blende 10 vorkommen kann. Aus diesem Grunde ist es vorteilhaft, wenn die Blende 10 möglichst dicht am Anfang der Abgasrückführleitung 6 angeordnet ist. Ein anderer Grund für das Nichtbrennen der Lampe 13 kann bei Leerlauf auch ein Klemmen und damit Offenbleiben des Magnetventils 7 sein. Sobald auf der Strecke zwischen Magnetventil und Saugrohr ein Rohrbruch in der Abgasrückführleitung 6 entsteht, wird dieses durch das schlechte Fahrverhalten des
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Motors erkannt, nämlich durch Aussetzer, die bis zum Stillstand des Motors führen können.
Im gesamten Teillastbereich ist das Magnetventil, insbesondere mehr oder weniger geöffnet. Hierdurch herrscht an der Blende 10 eine Druckdifferenz, die ein öffnen des Differenzdruckschalters 11 bewirkt. Die Kontrollampe 13 muß also aus sein. Brennt jedoch die Lampe 13, so ist die Abgasrückführleitung 6 verstopft, wobei die Ursachen entweder ein verstopfter Filter 8 oder ein Klemmen^de^ Magnetventils 7 in geschlossener Stellung sein können.
Bei Vollast ist das Hagnetventil 7 geschlossen, es erfolgt also keine Strömung durch die Blende 10;der Druckdifferenzschalter 11 ist geschlossen. Der Schalter 14 des Schaltkreises 12 ist jedoch im Gegensatz zum Leerlauf offen, so daß der Stromkreis unterbrochen ist und die Lampe nicht brennen kann. Bei der in Figur 2 dargestellten Variante dieses ersten Ausführungsbeispiels,die im Prinzip wie die in Figur 1 dargestellte funktioniert, wird ein Differenzdruckschalter 18 von der Druckdifferenz zwischen Saugrohr 3 bzw.Atmosphäre und Druck vor der Blende 10 in der Abgasrückführleitung . 6 betätigt. Der wirksame Differenzdruck ist dadurch wesentlich höher als an der Blende 10 (erste Variante). Der Differenzdruckschalter wird dann bei einem bestimmten Differenzdruck betätigt.
Bei der in Fig. 3 dargestellten dritten Variante des ersten Ausführungsbeispiels ist eine zweite Blende 20 angeordnet und zwar in dem Abschnitt zwischen dem Magnetventil 7 und dem Saugrohr 3 der Abgasrückführleitung 6. Der Druckabfall an dieser Blende 20 wird in den Differenzdruckschaltern 21 und 21' ausgewertet, die in dem elektrischen Schaltkreis 12 angeordnet sind. Die überwachung der Abgasrückführung erfolgt bei dieser Variante· durch Vergleich der Differenzdrücke an den Blenden 10 und 20. Wenn das Abgasrückführsystem bei geöffnetem Magnetventil 7 in Ordnung ist, dann muß am
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Anfang der Abgasrückführleitung 6, nämlich der Blende 10, derselbe Abgasrückstrom fließen wie am Leitungsende durch die Blende 20. Bei Leitungsbruch bzw. verstopfter oder ungewünscht gesperrter Leitung kann kein Abgas mehr strömen, so daß die Kontrolle in einer Vergleichsmessung und einer Absolutmessung mit dem Differenzdruckschalter 21' besteht. Die Bedingung ist wieder, daß nur im Leerlauf bzw. bei Störung die Lampe 13 brennen- soll. Der Schalter 11,21 ist parallelgeschaltet mit dem Schalter f21, der wiederum mit dem Schalter 14 in Reihe angeordnet ist. Der Schalter lH ist wie bei den anderen Varianten nur bei Vollast geöffnet. Bei Strömung und intakter Rohrleitung 6 ist, da dann an beiden Blenden und 20 derselbe Differenzdruck herrschen muß, der Schalter 11 - 21 geöffnet. Da-dies auch der Fall ist, wenn keine. Strömung erfolgt, wird eine Verstopfung der Leitung 6 oder eine unerlaubt geschlossene Stellung des Magnetventils 7 durch Schließen des Schalters 21' und damit des Stromkreises angezeigt. Der Schalter 14 dient hier sowie bei den vorigen Varianten lediglich dazu, bei Vollast ein Aufleuchten der Kontrollampe zu vermeiden.
Bei dem in Figur 4 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel dient als Meßor.^an eine Sauerstoff sonde 2Ά. In Fig. 5 ist eine derartige Sonde in vergrößertem Maßstab vereinfacht dargestellt. Sie besteht aus einem einseitig verschlossenen Röhrchen 25 > das aus einem Festelektrolyten gesintert ist. Der Festelektrolyt 25 ist beiderseits mit mikroporösen Platinschichten 26 bedampft. Die beiden Platinschichten 26 sind mit Kontakten versehen, welche zu elektrischen Anschlußklemmen 27 und 28 führen. Das Festelektrolytröhrchen 25 wird durch eine Fassung 29 in der Wand 30 des Abgasrohres h durch Einschrauben gehalten. Somit wird die den Festelektrolyten 25 außen überziehende Platinschicht vom Abgas umströmt. Die das Röhrchen innen überziehende Platinschicht hingegen wird von dem Gas
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umströmt, das sich in der Abgadrückführleitung 6 stromab des Magnetventils 7 befindet. Wie aus Fig. 4 ersichtlich, wird nämlich die Abgasrückführleitung 6 stromab des Magnetventils 7 zur Rückseite der Sonde 2k geführt, um dann von dort zum Saugrohr 3 zu gelangen. Wie in Fig. 5 gezeigt, ist die Abgasrückführleitung 6 durch eine Hohlschraube 31 an die Fassung 29 gespannt. Der Festelektrolyt 25 ist bei höheren Temperaturen wie sie im Abgasstrom herrschen sauerstoffionenleitend. Als Festelektrolyt hat sich Zirkondioxid bewährt. Wenn der Sauerstoffpartialdruck des Abgases vom Sauerstoffpartialdruck de.s Mediums,was die Innenseite der Sonde berührt, abweicht, dann tritt zwischen den beiden Anschlußklemmen 27 und 28 eine Potentialdifferenz auf, die logarithmisch vom Quotienten der Sauerstoffpartialdrücke zu beiden Seiten des Festelektrolyten 25 abhängt. Deshalb ändert sich die Ausgangsspannung der Sauerstoffsonde in Umgebung der Luftzahl A=I sprungartig. Aufgrund dieser sprungartigen Spannungsänderung läßt sich der Sauerstoffmeßfühler gut zur Ansteuerung eines Operationsverstärkers verwenden, wie er in dem elektronischen Steuergerät 32 enthalten ist, dessen Schaltung in Fig. 6 dargestellt ist. Das Steuergerät 32 enthält eine einfache Logik, die eine Warnlampe 13 dann einschaltet, wenn die Sondenspannung größer wird als beispielsweise 25 Millivolt und gleichzeitig Abgas rückgeführt werden soll, d.h. der Motor mit Teillast gefahren wird und nicht mit Leerlauf oder Volllast. Das Signal für den Motorlastzustand kommt von dem Drosselklappenschalter 33» der durch die Drosselklappe l6 betätigt wird. Statt Drosselklappenbetätigung kann jedoch auch Saugrohrunterdruck als Betätigung dienen. Um
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nun möglichst schnell zu bewirken, daß bei geschlossenem Magnetventil 7 die Innenseite des Pestelektrolyten 25 der Sonde 24 von Luft umströmt wird, ist die Abgasrückführleitung 6 stromauf der Sonde, aber stromab des Magnetventils 7 mit einem Schubluftspülventil 34 versehen. Dieses Spülventil öffnet bei Unterdruckspitzen, so daß bei geschlossenem Magnetventil 7 sehr schnell Frischluft in dem entsprechenden Abschnitt der Abgasrückführleitung vorhanden ist. Diese Frischluft bewirkt die Potentialdifferenz zwischen den Klemmen 27 und 28, wobei um ein schnelles Ansprechen der Sonde zu erreichen, diese möglichst dicht zum Motor hin im Abgasrohr angeordnet ist. Hierdurch wird sehr schnell die erforderliche Temperatur von größer als 500 C erreicht. Sobald die Abgasrückführleitung aber von Abgas durchströmt wird und beide Seiten des Festelektrolyten 25 von Abgas umströmt sind, besteht keine Potentialdifferenz mehr zwischen den Klemmen 27 und 28. Die Abgasrückfuhrkontrolle funktioniert jedoch dann nicht, wenn die Abgasrückführleitung zwischen Sonde und Saugrohr bricht oder wenn die Abgasrückführleitung dadurch ausfällt, daß das Magnetventil 7 im offenen Zustand hängenbleibt. In diesen beiden Fällen wird jedoen das Fahrverhalten im Leerlauf so verschlechtert, daß ein Warnsignal nicht mehr erforderlich ist. Bei dieser einfachen Ausgestaltung ist es auch nicht notwendig, daß die Sonde einen beschriebenen, steilen Spannungssprung aufweist, so daß für diese überwachung auch billigere Sonden verwendet werden können.
In dem in Fig. 6 dargestellten Schaltplan ist die Sonde 24 mit dem nichtinvertierenden Eingang eines ersten Operationsverstärkers 36 verbunden. Der erste Operationsverstärker enthält einen Verstärker 37, dessen Ausgang einerseits über einen Gegenkopplungswiderstand 38 mit dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 37 verbunden ist und
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andererseits mit dem drosselklappenbetätigten Schalter 33. Der invertierende Eingang des Verstärkers 37 ist an den Abgriff eines Spannungsteilers angeschlossen, der aus zwei Widerständen 39 und 40 besteht und zwischen der Plusleitung und Minusleitung liegt.
Die im Schaltplan gezeigte Stellung I des Schalters 83 entspricht dem Teillastbereich,während die Stellung II dem Vollast- und ,L=erlaufbereich entspricht. In Fig. sind die Stellungen II die vom Schalter eingenommene Stellung sowie die unterste Stellung, wenn die Drosselklappe 16 weitgehend geschlossen ist. Den Zvischenbereich nimmt die Stellung I ein für den gesamten Teillastbereich. An die Ausgänge des Schalters 33 sind ein zweiter Operationsverstärker 4l bzw. ein dritter Operationsverstärker 42 angeschlossen. In beiden Operationsverstärkern 4l und 42 ist wiederum das aktive Bauelement je ein Verstärker 43 und 44, deren Ausgänge wiederum über j 3 einen V/iderstand 45 mit den nichtinvertierenden Eingängen verbunden sind. Durch die Einstellregler 46 werden die Operationsverstärker 41 und 42 einander angepaßt. Durch Entkoppelungsdioden 47 an den Ausgängen der Verstärker 43 und...44. wird jeweils ..die Spannung durchgelassen, die die 25 Millivolt von oben bzw. von unten angesteuert, über-bzw. unterschritten hat. Ein Transistor 48 bewirkt dann das Einschalten der Lampe 13- Diese Differenzierung zwischen Sondenspannung größer 25 Millivolt oier kleiner 25 Millivolt wird dadurch erreicht, daß die Ausgänge des Schalters 33 einmal im Falle des Operationsverstärkers 41 mit dem nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers verbunden ist und im Falle der Schaltstellung II mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers 44 verbunden ist. Auf diese Weise leuchtet die Lampe immer dann, wenn bei Teillast die Sondenspannung größer als 25 Millivolt ist, d.h. wenn beide Seiten des
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Pestelektrolyten 25 von Abgas umströmt sind und sie leuchtet ebenfalls, w<5nn bei Leerlauf bzw. Vollast die Sondenspannung kleiner als 25 Millivolt ist, d.h. wenn die Innenseite des Pestelektrolyten 25 von Luft umströmt ist. Fällt also bei Teillast die Lampe aus, dann ist entweder die Lampe kaputt oder die Abgasrückführung funktioniert nicht. Fällt hingegen bei Leerlauf oder Vollast die Lampe aus, dann ist entweder die Lampe kaputt oder die Sonde bzw. das Magnetventil 7 arbeitet nicht.
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Claims (1)

  1. Ansprüche
    /) Verfahren zur Verminderung der giftigen Anteile, insbesondere Stickoxide,im Abgas von Brennkraftmaschinen durch Rückführung eines Teiles des Abgases zur Saugseite des Motors mittels einer Abgasrückführleitung, die durch ein Ventil steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der rückgeführte Abgasstrom als Führungsgröße eines mit elektrischen"Mitteln arbeitenden überwachungs- und Kontrollsystems (12,32) dient, das ein optisches oder akustisches Warnsignal (13) steuert.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasrückführung nur bei Teillast des Motors (1) erfolgt und daß als Maß für den Lastbereich die Drosselklappenstellung (16) dient.
    3· Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Abgasrückführleitung (6) stromauf des Ventils (7) und eines möglicherweise vorgesehenen Filters (8) eine Blende (10) angeordnet ist, die einen elektropneumatischen Differenzdruckschalter (11) steuert, der,solange keine Druckdifferenz herrscht, geschlossen ist, und der im Stromkreis (12) des Warnsignals (13) angeordnet ist.
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    ^1 Vorrichtung nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß im Stromkreis (12) des Warnsignals'(13) mindestens ein zweiter Schalter (14) in Serie angeordnet ist, der bei Vollast geöffnet ist und der vorzugsweise durch die Drosselklappe (16) betätigbar ist.
    5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzdruckschalter (11) unmittelbar durch die an der Blende entstehende Druckdifferenz betätigt wird.
    6. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Druckdifferenz dem elektropneumatischen Schalter (11) einerseits nahezu Atmosphärendruck insbesondere der Saugrohrdruck und andererseits der Druck stromauf der Blende (10) in der Abgasrückführleitung (6) zugeführt wird.
    7. Vorrichtung nach Anspruch 3j 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß stromab des Ventils (7) und in der Nähe der Mündung ins Saugrohr (3) in der Abgasrückführleitung (6) eine zweite Blende (20) angeordnet ist, die einen zweiten und dritten elektropneumatischen Differenzdruckschalter (21 und 21') steuert, von denen der eine Schalter (21) mit dem ersten Schalter (11) zusammenwirkt, so daß bei unverändertem Gasdurchsatz in der Abgasrückführleitung (6)der elektrische.Schalter geöffnet ist und von denen der zweite Schalter (211) geöffnet ist, solange eine Druckdifferenz an der
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    Blende (20) herrscht, wobei die Schalter (11-21) zum Schalter (21') als Parallelschaltung im Stromkreis des Warnsignals (13) angeordnet ist.
    8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Überwachung des rückgeführten Abgasstromes eine Abgasmeßsonde (24),insbesondere Sauerstoffsonde, dient.
    9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde (24) einen Pestelektrolyten (25) aufweist, der auf der einen Seite mit Abgas und der anderen Seite mit einem Vergleichsmedium, beispielsweise Luft, in Berührung steht, so daß bei einem Sauerstoffpartialdruck zwischen den Vergleichsmedien an mit den Seiten des Pestelektrolyten verbundenen Elektroden (27,28) ein elektrisches Potential herrscht.
    10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Pestelektrolyt (25) ein Rohrboden aus Zirkondioxid dient, der platinbeschichtet (26) ist.
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    . ; Z 3
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    11. Vorrichtung nach Anspruch 8,9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Seite des Pestelektrolyten (25) mit Abgasen des Auspuffs (4), die andere Seite mit den in der Abgasrückführleitung (6) stromab des Ventils (7) befindlichen Gasen beaufschlagt wird und daß der Potentialstrom zur Steuerung des Warnsignals (13) dient.
    12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei geschlossenem Abgasrückführventil (7) in die Rückführleitung (6) stromab des Ventils (7), Jedoch stromauf der Sonde (24) durch ein Luftspülventil (34) Frischluft gelangen kann.
    13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontrollsystem mit einem elektronischen Steuergerät (32) arbeitet, in dem die Sondenspannung nach einem ersten Operationsverstärker (36) über einen von der Drosselklappe (16) oder dem Saugrohrdruck gesteuerten Wechselschalter (33) entweder dem nichtin vertier enden Eingang eines zweiten Operationsverstärkers oder dem invertierenden Eingang eines dritten Operationsverstärkers zugeführt wird, um dann über Entkupplungsdioden (47) einem elektrischen Schalter (48) zugeführt werden, der die Kontrollampe (13) ansteuert.
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    Leerseite
DE2414761A 1974-03-27 1974-03-27 Brennkraftmaschine Expired DE2414761C2 (de)

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