DE3003965A1

DE3003965A1 - Steuereinrichtung

Info

Publication number: DE3003965A1
Application number: DE19803003965
Authority: DE
Inventors: Toshio Hirota
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1979-02-05
Filing date: 1980-02-04
Publication date: 1980-08-07
Also published as: US4329944A

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Luftverhältnis-Steuereinrichtung für eine mit reformiertem Gas und Alkohol betreibbare Verbrennungskraftmaschine, die als Antriebsquelle für Transport, zur Kraft- oder Stromerzeugung oder für Rotationskraftmaschinen verwendbar ist.

Eine mit Alkohol und reformiertem Gas betreibbare Verbrennungskraftmaschine, für die der gasförmige Brennstoff hauptsächlich Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthält und durch Reformieren von Alkohol erzeugt wird, ist im besonderen für den Gebrauch in einem Kraftfahrzeug geeignet, da sie sich durch einen besonders hohen thermischen Wirkungsgrad und verhältnismäßig saubere Abgase auszeichnet. Eine derartige Maschine hat jedoch folgende drei grundsätzliche Nachteile:

1. 3ei einem Luftüberschußfaktor (kleiner als 1,3)» der nahe an einem stöchiometrischen Luft/Brennstoffverhältnis liegt, zeigt die Maschine eine Tendenz zu unnormaler Verbrennung, z. B. zu Rückschlagverbrennungen, wodurch die Verbrennungssteuerung erschwert wird und das Höchstdrehmoment auf einen niedrigeren Wert abgesenkt wird.

2. Um die Maschine allein mit reformiertem Gas über alle Betriebs zustände speisen zu können, ist eine Reformiereinrichtung erforderlich, die unvermeidlich groß und teuer ist.

3. Beim Warmlauf oder über einen länger dauernden Leerlauf (mehr als 20 Minuten) wird die Temperatur der Reformiereinrichtung so niedrig, daß kein reformiertes Gas mehr produziert wird und es erforderlich ist, die Gaszuführung

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zur Maschine zu unterbrechen.

Um diese Probleme zu lösen, wurde die technische Idee vorgeschlagen, zeitweise Alkohol in seiner eigentlichen Form der Maschine zuzuführen. Mit anderen Worten wird die Maschine dann mit reformiertem Gas nur während normaler Betriebszustände, z. B. Beschleunigung oder Verzögerung oder "bei Reisegeschwindigkeiten unter 100 km/h "betrieben. Hingegen wird der Maschine dann Alkohol zugeführt, wenn die Zuführung an reformiertem Gas unterbrochen ist, und zwar unter seltenen Betriebszuständen, wie "beim Höchstdrehmoment, bei einer höheren Geschwindigkeit als 100 km/h, beim Aufwärmen und bei einem länger dauernden Leerlauf oder dergleichen. Dieser Vorschlag war jedoch nur eine Idee geblieben, da infolge der schwierigen Realisierung keine konkrete Steuermethode für eine Steuereinrichtung angegeben werden konnte.

Es ±st deshalb ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Luft-Terhältnis-Steuereinrichtung für eine mit reformiertem Gas und Alkohol betreibbare Verbrennungskraftmaschine anzugeben, mit welcher die oben erläuterten Nachteile bei mit Alkohol und reformiertem Gas betriebenen Maschinen vermieden werden.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine Luftverhältnis-Steuereinrichtung für eine mit Alkohol und reformiertem Gas . betreibbare Verbrennungskraftmaschine anzugeben, die Mittel aufweist, mit denen die oben erwähnte technische Idee verwirklichbar ist.

Zu diesem Zweck besteht die Luftverhältnis-Steuereinrichtung für eine mit Alkohol und reformiertem Gas betreibbare Verbrennungskraftmaschine gemäß vorliegender Erfindung aus einem in einer Primärluftzuführung mittels Betätigungsmittel steuerbarem Primärluftventil, von dem über eine verblockte Arbeitsverbindung Zuführeinrichtungen für reformiertes Gas steuerbar

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sind, ferner aus Meßeinrichtungen für den Primärluft- und den Gasdurchsatz, ferner aus einem in einer Sekundärluftzuführung in Abhängigkeit vom Gasdurchsatz steuerbaren Sekundärluftventil, und aus in Abhängigkeit vom Primär luft- und Gasdurchsatz steuerbaren Einrichtungen zum Zugeben von Alkohol.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Steuervorrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 2 ein Diagramm über die Charakteristik des Luftdurchsatzes;

Fig. 3 ein Diagramm über die Beziehung zwischen dem Primärluftdurchsatz und dem Gasdurchsatz;

Fig. 4 ein Diagramm über eine Beziehung zwischen den Betriebszuständen einer Maschine und den Bereichen, in denen Alkohol zugegeben wird;

Fig. 5a- bis 5d Diagramme über die Beziehungen zwischen einem Luftüberschußfaktor und dem Brennstoffverbrauch und schädlichen Abgasbestandteilen;

Fig. 6 ein Diagramm für optimale Luftüberschußfaktoren in Abhängigkeit von Betriebszuständen der Maschine;

Fig. 7 eine Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Steuervorrichtung;

Fig. 8 einen Querschnitt durch ein Beispiel eines laminaren Gasströmungsmessers, der in der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung verwendet wird; und

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Fig. 9 einen Querschnitt einer modifizierten Zufünrungseinrichtung für reformiertes Gas, die in der erfindungsgemäßen Einrichtung verwendet wird.

Gemäß Fig. 1 wird schematisch eine Steuereinrichtung gemäß der Erfindung verdeutlicht, mit der ein reformiertes Gas, das Wasserstoff und Kohlenmonoxid als Hauptkomponenten enthält, in einen Gaseinlaß 1 eingeführt und einer Verbrennungskraftmaschine 12 durch eine Gasdurchsatzmeßeinrichtung 2 und ein Gasventil 3 zugeführt wird, wobei in letzterem die DurchfluBmenge des Gases geregelt wird. Luft wird durch einen Lufteinlaß 4 eingeführt und in Primär- und Sekundärluft aufgeteilt. Die Primärluft gelangt über einen Durchgang 5 in eine Primärluft-Durchsatzmeßeinrichtung 7 und zu einem Primärluftventil 8, ir. dem der Durchsatz an Primär luft gesteuert wird. Die Sekundärluft gelangt über einen Durchgang 6 durch ein Sekundärluftventil 9? in dem der Durchsatz an Sekundärluft gesteuert wird. Die Sekundärluft wird danach mit der Primärluft vermischt und der Verbrennungskraftmaschine 12 zugeführt. In den Einlassen Ί "utlc. 4- herrscht im reformierten Gas und der Luft atmosphärischer Druck, so daß sie mit Hilfe des Ansaugunterdrucks der Verbrennungskraftaaschine 12 durch die Durchgänge gesaugt werden-Durch einen Alkoholeinlaß 10 wird Alkohol eingeführt, dessen Durchsatz in einer Alkohol zugebe einrichtung 11 gesteuert wird, ehe er in die Maschine gelangt.

Das Gasventil 3 und das Primär luft ventil 8 sind durch eine Zwangsarbeitsverbindung 13 gekuppelt und werden durch einen Seilzug 14- (vom Fahrpedal) gemeinsam betätigt, und zwar derart, daß das Verhältnis zwischen dem Primärluftdurchsatz und dem Durchsatz an reformiertem Gas unter normalen Betriebsbedingungen der Maschine im wesentlichen gleich ist einem stöchiometrischen Luft/Brennstoffverhältnis (Luftüberschußzahl 1,0). Das Sekundärluftventil 9 wird durch den Gasdurchsatz gesteuert, den die Durchflußmeßeinrichtung 2 ermittelt,

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uad zwar derart, daß das Verhältnis des Sekundär Luftdurchsatzes zum Gasdurchsatz "bei kleinerem Gasdurchsatz kleiner ist.

Fig. 2 verdeutlicht die Beziehung zwischen dem Primärluftdurchsatz, und zwar in Abhängigkeit von der Betätigung des Fahrpedals (Seilzug 14-) und dem Gesamtluftdurchsatz. Wie aus diesem Diagramm hervorgeht, erreicht der Gesamtluftdurchsatz in einem Bereich, in dem der Primärluftdurchsatz hoch ist, seine Sättigung.

In diesem Pail, d. h. wenn der Gasdurchsatz noch dem Primär— luftdurchsatz proportional ist, läßt sich das Ausgangsdrehmozient der Maschine durch die Stellung des Fahrpedals bzw. des Seilzuges 14 steuern. Der Gasdurchsatz wird in Fig. 3 in einer strichlierten Linie als erforderlicher Brennst off durchsatz angezeigt. Der Gasdurchsatz nimmt mit der Steigung der ZJurve für den erforderlichen Brennst off durchsatz zu. Jedoch erreicht auch der Gasdurchsatz, wie in Pig. 3 mit einer durchgehenden Linie gezeigt wird, einen Sättigungsgrad, und zwar infolge eines zu geringen Ansaugdruckes der Maschine, in dem Betriebsbereich, in dem auch der Luftdurchsatz seine Sättigung erreicht hat.

Eine Differenz zwischen dem erforderlichen Brennst off durchsatz und dem Gasdurchsatz korrespondiert mit einem Alkoholdurchsatz, der der Maschine zugeführt wird. Die Einrichtung 11 zum Zugeben von Alkohol steuert den Alkoholdurchsatz in Abhängigkeit vom Gasdurchsatz und dem Primärluftdurchsatz, die in Gasdurchsatzmesser 2 und im Primärluftdurchsatzmesser 7 ermittelt werden.

In einem Bereich hoher Geschwindigkeit bzw. Drehzahl der Maschine reicht ein Teil des von der Zuführeinrichtung zugeführten reformierten Gases nicht mehr aus und als Folge davon

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erreicht der Gasdurchsatz seinen Sättigungspunkt auch in einem Drehzahlbereich, in dem der Luftdurchsatz seine Sättigung noch nicht erreicht hat. In diesem Fall kann die Haschine jedoch noch feinfühlig gesteuert werden, indem eine bestimmte Menge an Alkohol "bestimmt und zugegeben wird, und zwar in Abhängigkeit von dem erforderlichen Brennstoffdurchsatz und dem Gasdurchsatz.

Jig. 4 verdeutlicht einen Bereich, in dem Alkohol zugegeben werden muß, und der durch die Beziehung zwischen der Drehzahl der Maschine und dem abgegebenen Drehmoment der Maschine •bestimmt wird. Eine Linie A zeigt den Drehmomentverlauf bei Yollaststeilung des Seilzuges 14. Eine Linie B zeigt den verminderten Drehscmentverlauf infolge der Sättigung des Gasdirrchsatses als Folge des verringerten Ansaugdruckes, der wiederum abhängig ist von der Sättigung des Luftdurchsatzes. Eins Linie C zeigt die Drehmomentwerte an, die sich im Sättigungsb ersieh des Gasdurchsatzes als Folge von verringerter Zufuhr an reformiertem Gas ergeben. Im Fall von Fig. 4 stellt die scliattierte Fläche den Betriebsbereich dar, in dem Alkohol zugegeben werden muß.

Im Fall, daß als Folge niedriger Abgastemperatur, z. B. beim Warmlaufen, eine verringerte Menge von reformiertem Gas vorliegt, wird der Maschine Alkohol zugegeben. Die Alkoholzugabe erfolgt mit Hilfe einer Differenz zwischen dem erforderlichen Brennstoffdurchsatz und dem Gasdurchsatz, und zwar verursacht durch die Tatsache, daß nicht genügend Gas strömt, obwohl das Gasventil 5 offen ist. Für den· Fall, daß der Gasdurchsatz null ist, öffnet sich das Sekundärluftventil 9 überhaupt nicht, worauf eine Menge von Alkohol zugeführt wird, die dem Luftdurchsatz proportional ist. Das führt dazu, daß die Maschine dann als reine Alkoholmaschine betrieben wird.

Der optimale Luftüberschußfaktor in Abhängigkeit von Betriebsbedingungen einer Maschine wird nachstehend genauer erklärt

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werden. Die Figuren 5a bis 5<1 veranschaulichen die Auswirkung des Luftüberschußfaktors auf den Treibstoffverbrauch und die schädlichen Teile im Abgas, und zwar unter Betriebsbedingungen von 1600 U/Min, und 6 kpm Ausgangsdrehmoment einer 4-Zylindermaschine mit einem Hubraum von 2000 ecm. Da Abgasanteile von CO, HG und ΉΟχ. menschlichen Körpern schaden, wenn sie die Referenzwert von den Pig. 5b "bis 5d überschreiten, muß der Luftüberschußfaktor zwischen 1,6 bis 1,8 festgelegt werden, um die schädlichen Komponenten im Abgas unter die schädlichen Wertgrenzen zu drücken. Es ergibt sich aus Fig. 5a, daß ein Luftüberschußfaktor von 1,7 iia. Einblick auf den Brennstoffverbrauch am günstigsten ist.

Der optimale Luftüberschußfaktor variiert jedoch in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen der Maschine. Fig. 6 zeigt optimale Luftüberschußfaktoren, die in der zuvor beschriebenen Weise bestimmt wurden. Es liegt auf der Hand, d=5 ein Luftüberschußfaktor von annähernd 1,7 für die normalen Betriebsbedingungen am zweckmäßigsten ist. Wünschenswert ist dabei, den Luftüberschußfaktor zu verringern, sobald das abgegebene Drehmoment zunimmt. Darüber hinaus ist es ebenfalls wünschenswert, in einem Bereich mit niedrigem Ausgangsdrehmoment den Luftüberschußfaktor kleinzuhalten, um die Abgastemperatur gleichmäßig hoch zu halten und die Stabilität des Kreislaufes zu sichern (üblicherweise benutzen Maschinen, die mit reformiertem Gas betrieben werden, die Hitze der Abgase für die reformierende Alkoholreaktion)·

Fig. 7 verdeutlicht eine für den praktischen Gebrauch der Erfindung bestimmte Ausführungsform im Detail. Ein Gasdurchsatzmesser 2a vom laminaren Strömungstyp wird zum Messen des Gasdurchsatzes verwendet. Kupplungsgestange 13a stellen zwischen dem Gasventil 3. und dem Primärluftventil 8 eine Kopplung her. Ein elektronisch gesteuertes Brennstoffeinspritzsystem mit einem Einspritzmengensteuerglied 11a und

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-klAlkoholeinspritζglied 11b wird als Einrichtung 11 zum Zugeben-von Alkohol verwendet. Diese Einrichtung enthält ferner einen Luftreiniger oder -filter 15* ein Gasventil 16 und ein Betätigungsglied für das Sekundärluftventil, das das Sekundärluftventil 9 mit Hilfe von Differentialdrücken im Gasdurchsatzmesser 2a steuert. Ein Luftdurchsatzmesser 18 wird zum Messer der Gesamtluftmenge eingesetzt. In dem Einspritzmengensteuerglied 11a wird der Sekundär luftdurchsatz ermittelt. Dies erfolgt unter Verwendung des Gasdurchsatzes und als Differenz davon, um einen Primär luftdurchsatz zu erreichen, der schließlich zu einer Alkohol-Einspritsmenge führt, die von dem Gasdurchsatz und dem Primär-1-oftd-archsatz abhängt.

Pig. 8 verdeutlicht ein konkretes Beispiel des Gasdurchsatzmessers 2a vom lam±asren Strömungstyp. Er enthält Differentialddruckleitungen 21, die Differentialdrücke aus vorderen und hinteren Abschnitten eines Gasdurchganges 20 abgreifen, der siit metallischen Körner gefüllt ist. Die Differentialdruc>lei1rungen 21 sind an das Betätigungsglied 17 für das Sekundärluftventil angeschlossen. Ein Druckkonverter 22 wandelt die Differentialdrücke in elektrische Signale um, die dem Einspritzmengensteuerglied 11a zugeleitet werden.

Es können auch Gasdurchsatzmesser verwendet werden, die anders sind, als der beschriebene Gasdurchsatzmesser 2. Zum Beispiel kann ein Durchsatzmesser vom laminaren Strömungstyp mit einer Bienenwabenstruktur- oder ein Durchflußmassenmesser verwendet werden, der Mittel zum Kompensieren von Temperatur-, Druck- oder Zusammensetzungsänderungen im Gas enthält. Denkbar sind auch Durchflußmesser mit einer Blende oder einem Venturirohr.

Pig. 9 zeigt eine Ausführungsform, in der der Unterdrück in einem Venturirohr 23 als Zwangskopplungseinrichtung zwischen

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der Zuführung für das reformierte Gas und dem Primärluftventil 8, ohne Verwendung eines speziellen Gasventils, benutzt wird. Wenn ein Gasdruck am Gaseinlaß 1 und ein Luftdruck am Lufteinlaß M einander gleich sind, wird das Gas durch ein Gasventil 16 angesaugt, und zwar mit Hilfe des Unterdrucks in dem Venturirohr 23. Auf diese Weise wird das Verhältnis zwischen dem Primärluftdurchsatz und dem Gasdurchsatz konstant gehalten.

Anstelle des beschriebenen, elektronisch gesteuerten Treibstoffeinspritzsystems als Einrichtung 11 zum Zugeben von Alkohol kann auch ein konventioneller Vergaser verwendet werden.

Wie sich aus der vorstehenden Erklärung ergibt, sind gemäß der Erfindung das Primärluftventil und eine Zuführeinrichtung für reformiertes Gas zwangsgekoppelt, um ein konstantes Luft/Brennstoffverhältnis aufrechtzuerhalten, solang das reformierte Gas als Treibstoff ausreicht. Weiterhin wird der Gasdurchsatz mittels des Gasdurchsatzmessers ermittelt, vsl damit das Sekundärluftventil anzusteuern und über dieses einen Luftdurchsatz einzuregeln, der von dem Gasdurchsatz abhängt.

Weiterhin wird erfindungsgemäß unter Berücksichtigung der Betriebsbedingungen der Maschine und der Zufuhr an reformiertem Gas eine optimale Menge an Alkohol in die Maschine eingeführt, indem die Einrichtung zum Zugeben von Alkohol nach Ermitteln des Gas- und des Luftdurchsatzes betätigt wird, jedoch nur dann, wenn das zugeführte reformierte Gas zum Erzielen der gewünschten Ausgangsleistung oder einer bestimmten Betriebsbedingung nicht mehr ausreicht. In Bereichen mit hohem Ausgangsdrehmoment wird der Maschine Alkohol zugegeben, um das maximale Drehmoment und die Ausgangskennwerte der Maschine zu verbessern und auf diese Weise die Kachteile von allein mit reformiertem Gas betriebenen Maschinen zu vermeiden.

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Beim Warmlaufen wird die Maschine selbsttätig mit Alkohol gespeist. Venn der Druck des reformierten Gases ausreichend angestiegen ist und genügt, das reformierte Gas in die Maschine einzuführen, wird die Alkoholzugabe gestoppt. Diese Schritte laufen so übergangslos ab, daß der Betrieb der Maschine nicht beeinflußt wird.

Obwohl die Erfindung speziell anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele zeigt und erläutert wurde, liegt es auf der Hand, daS Detail- und Formänderungen noch gemacht werden können, ohne daß der Bahmen der Erfindung verlassen würde.

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Claims

F¹AT ΕΞ N TA Γ -i Wr. L"¹

A. GRÜNECKER

H. KINKELDEY

OR-ING

W. STOCKMAlR

DR-ING-AgEtCALTECH)

K. SCHUMANN

OR RER MAT. ■ OPL PHYS

P. H. JAKOB

OPL-ING

Q.BEZOLD

DR RER NAT · DIPL-CHEM.

8 MÜNCHEN

MAXIMILIANSTRASSE

4. Februar 1980 P 14 717-55/kr

NISSAN MOTOE CO., LTD.

2, Takara-Cho, Eanagawa-Ku
Yokohama City, Japan

Steuereinrichtung

„J _-£f-verhältnis-Steuereinrichtung für eine mit Alkohol und reformiertem Gas betreibbare Verbrennungskraftmaschine, dadurch gekennzeichnet , daß.in einer Prinärluftziiführung (5) ein mittels Betätigungsmittel (14) steuerbares Primärluftventil (8) vorgesehen ist, von dem über eine verblockte Arbeitsverbindung (13) Zuführeinrichtungen (1, 2) für reformiertes Gas steuerbar sind, daß Meßeinrichtungen (7; 2) für den Primärluft- und den Gasdurchsatz vorgesehen-sind, daß in einer Sekundärluftzuführung (6) ein in Abhängigkeit vom Gasdurchsatz steuerbares Sekundärluftventil (9) angeordnet ist und daß in Abhängigkeit vom Primärluft- und Gasdurchsatz steuerbare Einrichtungen (11) zum Zugeben von Alkohol vorgesehen sind.

2. Luftverhältnis-Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch

gekennzeichnet

daß das Primärluftventil

(8) und die Zuführeinrichtungen (1, 2) für reformiertes

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Gas derart miteinander zwangsgekoppelt sind, daß das Verhältnis des Primärluftdurchsatzes, der vom Primärluftventil (8) gesteuert wird, zum Gasdurchsatz, der durch die Zufuhreinrichtungen (1, 2) gesteuert wird, annähernd bei einem Luftüberschußfaktor von 1,0 liegt.

3. Luftverhältnis-Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtungen (11) zum Zugeben von Alkohol derart gesteuert sind, daß die der Verbrennungskraftmaschine (12) zugeführte Alkoholmenge einer Differenz zwischen einem erforderlichen Brennstoffdurchsatz, der durch den Primärluftdurchsatz bestimmbar ist, und dem Gasdurchsatz entspricht.

4-, Luftverhältnis-Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet , daß die KeSeinriehtung (2) für den Gasdurchsatz aus einem Laminar-Strömungs-Gasmesser (2a) besteht, daß die Zuführeinrichtungen (1, 2) für reformiertes Gas und das Primärluftventil (8) d-iirch ein Verb indungs ge stange (13a) miteinander gekoppelt sind, und daß ein elektronisch gesteuertes Brennstoff-Einspritzsysten (11) zum Zugeben des Alkohols vorgesehen ist, in dem ein Einspritzmengensteuerglied (11a) und ein Alkoholeinspritzglied (11b) enthalten sind.

5. Luftverhältnis-Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4·, dadurch gekennzeichnet, daß der laminare Gasströmungsmesser (2a) verschiedene Druckleitungen (21) aufweist, die Differentialdrücke aus vorderen und hinteren Abschnitten eines Gasdurchganges (20) extrahieren, und daß die Leitungen (21) mit einem Betätigungsglied (17) für das Sekundärluftventil verbunden sind, um das Sekundärluftventil mit Hilfe der Differentialdrücke zu steuern, und daß ein Druckkonvertor (22) vorgesehen ist,

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mit dem die Differentialdrücke in elektrische Signale umwandelbar sind, welche dem Einspritzmengensteuerungsglied (1 a) zugeführt werden.

6. Luftverhältnis-Steuereinrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 "bis 5> dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführeinrichtungen für das reformierte Gas und das Primärluftventil über ein Venturirohr (23) gekoppelt sind.

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