DE2202614A1

DE2202614A1 - Abgasnachverbrennungseinrichtung

Info

Publication number: DE2202614A1
Application number: DE19722202614
Authority: DE
Inventors: Harald Kizler; Ernst Dipl-Ing Linder; Wolfgang Dipl-Ing Dr Maisch; Horst Dipl-Chem Dr Neidhard; Bernd Peter; Peter Dipl-Ing Schmidt; Josef Dipl-Ing Wahl
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1972-01-20
Filing date: 1972-01-20
Publication date: 1973-08-02
Also published as: JPS5521175B2; US3874171A; FR2163221A5; JPS4882215A; CH544885A; AU462661B2; NL7300813A; BR7300459D0; AU5127173A; GB1385621A; IT973274B

Description

R. 700 22026U

18.1.1972 Sk/Kb

Anlage zur
Patentanmeldung

ROBERT BOSCH GMBH, 7 Stuttgart 1 Abgasnachverbrennungseinrichtung

Die Erfindung betrifft eine Abgasnachverbrennungseinrichtung für eine Brennkraftmaschine, mit einem ersten Reaktor zur Verbrennung des Kohlenmonoxids und der Kohlenwasserstoffe und mit einem zweiten, katalytisehen Reaktor zur Reduktion der Stickoxide. Es ist schon bekannt., zur Reinigung der Abgase einer Brennkraftmaschine im Auspuffsystem zwei hintereinander geschaltete katalytische Reaktoren vorzusehen, von denen der erste zum Abbau der unverbrannten Kohlenwasserstoffe und des Kohlenmonoxids dient, während im zweiten Reaktor mit Hilfe von zugesetztem Ammoniak die Stickoxide reduziert werden. Eine derartige Anlage ist sehr aufwendig, weil erstens zwei getrennte Katalysatoren (sog. Zweibettkatalysator) erforderlich sind, und weil zweitens auf dem

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Kraftfahrzeug ein Behälter mit Ammoniak mitgeführt werden muß.

Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine wesentlich vereinfachte Abgasnachverbrennungseinrichtung mit getrennten Reaktoren zu schaffen. Trotzdem sollen im Abgas nicht mehr Schadstoffe enthalten sein als bei der bekannten Einrichtung. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der erste Reaktor als Thermoreaktor ausgebildet ist und daß ein im Abgasstrom angeordneter Sauerstoff-Meßfühler über einen Regelverstärker eine Kraftstoffzumeßvorrichtung derart ansteuert, daß das Massenverhältnis von Luft zu Kraftstoff (Luftzahl Λ) auf einen geringfügig unterstöchiometrischen Wert eingeregelt wird.

Durch die Regelung der Luftzahl K auf einen Wert von vorzugsweise etwa 0,98 erreicht man, daß die Grundemission an Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen schon einen sehr niedrigen Wert annimmt. Da her genügt ein einfacher Thermoreaktor zur Nachverbrennung dieser Bestandteile. Trotzdem bleibt ein gewisser Überschuß an Kohlenmonoxid erhalten, d. h. die Abgase sind beim Eintritt in den zweiten, katalytischen Reaktor schwach reduzierend. Eine solche schwach reduzierende Zusammensetzung der Abgase ergibt eine optimale Reduktionswirkung des katalytischen Reaktors.

Eine besonders präzise Regelung der Luftzahl A ist möglich, wenn in weiterer Ausgestaltung der Erfindung der Sauerstoff-Meßfühler einen sauerstpffionenleitenden Festelektrolyten enthält, der einerseits mit dem Abgasstrom und andererseits mit der Umgebungsluft in Berührung steht. Das elektrische Ausgangssignal eines derartigen Sauerstoff-Meßfühlers ändert sich genau bei der Luftzahl/V = 1 sprungartig, v/eil bei geringfügig größeren Luftzahlen plötzlich unverbrannter Sauerstoff im Abgas vorliegt.

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Es ist zweckmäßig, in weiterer Ausgestaltung der Erfindung den Sauerstoff-Meßfühler zwischen dem ersten und dem zweiten Reaktor anzuordnen, weil auch bei Luftzahlen, die kleiner als 1 sind, die Abgase neben den unverbrannten Kohlenwasserstoffen noch Sauerstoff enthalten, der aber im Thermoreaktor weitestgehend verbraucht wird.

Weitere Einzelheiten und zweckmäßige Ausgestaltungen werden nachstehend anhand zweier in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert.

Es zeigen:

Pig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel in schematischer Darstellung,
Fig. 2 Diagramme der Abgaszusammensetztung in Abhängigkeit von der Luftzahl,

Fig. 3a einen Sauerstoff-Meßfühler in schematischer Darstellung, Fig. 3b die Abhängigkeit der Ausgangsspannung des Sauerstoff-Meßfühlers von der Luftzahl, Fig. ¹J einen Schaltplan eines Regelverstärkers, Fig. 5 einen Schaltplan einer Transistorschalteinrichtung, Fig. 6 ein zweites Ausführungsbeispiel in schematischer Darstellung und
Fig. 7 einen Schaltplan eines Regelverstärkers.

In Fig. 1 ist mit 11 eine IJ-Zylinder-Brennkraftmaschine bezeichnet. Die Verbrennungsluft wird über ein Luftfilter und ein Ansaugrohr 13 angesaugt. Im Ansaugrohr ist eine Drosselklappe 15 angeordnet, welche mit Hilfe eines nicht dargestellten Gaspedals verstellbar ist. Weiterhin liegt im Ansaugrohr zwischen dem Luftfilter und der Drosselklappe 15 ein Luftmengenmesser 14, der als Stauscheibe ausgebildet ist und einen elektrischen Ausgang aufweist. Jedem Zylinder der Brennkraftmaschine 11 ist ein Einspritzventil 16 zugeordnet, das

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unmittelbar vor dem Einlaßventil Kraftstoff in das Ansaugrohr einspritzt. Von diesen Einspritzventilen 16 ist in Pig. I nur eines dargestellt. Dieses wird von einer Kraftstoffleitung 17 versorgt.

An die Auslaßventile der Brennkraftmaschine 11 ist eine Abgas-Sammelleitung 18 angeschlossen, die in einen Thermoreaktor 19 mündet. Der Thermoreaktor 19 ist ausgangsseitig mit einem katalytischen Reaktor 20 verbunden. An den katalytischen Reaktor 20 schließt sich über eine Abgasleitung 21 eine nicht dargestellte Schalldämpferanlage an.

In die Wand der vom Thermoreaktor 19 zum katalytischen Reaktor 20 führenden Rohrleitung ist ein Sauerstoff-Meßfühler 22 eingebaut, dem ein Regelverstärker 24 nachgeschaltet ist· Mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 11 ist weiterhin ein Impulsgeber 23 verbunden. Dieser gibt synchron zur Kurbelwellendrehzahl Ansteuerimpulse für eine Transistorschalteinrichtung 25 ab. Die Transistorschalteinrichtung 25 formt Impulse, deren Dauer für die Öffnungsdauer des Einspritzventils 16 maßgeblich ist. Diese Impulsdauer wird von den Ausgangsspannungen des Luftmengenmessers 14 und des Regelverstärkers 2¹I beeinflußt. Deshalb sind die elektrischen Ausgänge des Regelverstärkers 24 und des Luftmengenmessers I¹J mit Korrektureingängen A, B der Transistorschalteinrichtung 25 verbunden. Das Einspritzventil 16 wird mit Hilfe einer Magnetwicklung betätigt, die an den Ausgang der Transistorschalteinrichtung 25 angeschlossen ist.

In Fig. 2 ist die Variation der Abgaszusammensetzung über der Luftzahl Λ dargestellt. Es sei in diesem Zusammenhang nochmals daran erinnert, daß die Luftzahl Λ so definiert ist, daß sie den Zahlenwert 1 annimmt, wenn ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Gemisch vorliegt. Bei Luftüberschuß nimmt die Luftzahl Λ einen Wert über 1,0 an, wobei

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dieser Wert durch das Massenverhältnis von Luft zu Kraftstoff bestimmt ist.

Eine Kurve 26 zeigt den Gehalt des Abgases an Kohlenmonoxid (CO). Unterhalb von Λ = 1,0 nimmt der CO-Wert mit steigender Luftzahl stetig ab. Oberhalb von Λ = 1,0 ist der CO-Wert im wesentliehen konstant und sehr klein. Eine Kurve 27 für den Gehalt der Abgase an unverbrannten Kohlenwasserstoffen CH zeigt bis zu /( = 1,3 ungefähr den gleichen Verlauf wie die Kurve 26. Oberhalb von/(. = 1,3 nimmt der Gehalt an Kohlenwasserstoffen sprunghaft zu, ^weil die Abgas zusammensetzung dann durch eine zunehmende Zahl von Zündaussetzern beeinflußt wird. Diese Zündaussetzer sind eine Folge des sehr mageren Gemisches.

Eine Kurve 28 für den Gehalt der Abgase an Stickoxiden NOx zeigt genau den umgekehrten Verlauf der beiden Kurven 26, 27. Sie weist einen Maximalwert auf, der ungefähr bei X - 1,05 liegt. Zu großen und zu kleinen Luftzahlwerten hin fällt die Kurve 28 steil ab. Dies ist dadurch bedingt, daß Stickoxide nur bei hohen Verbrennungstemperaturen durch Verbrennung des Luftstickstoffes entstehen. Die Verbrennungstemperatur erreicht aber ihren Maximalwert ungefähr bei stöchiometrischem Gemisch. Während die Kurve 28 für die Zusammensetzung des Abgases in der Abgas-Sammelleitung gilt, nimmt der Stickoxidgehalt am Ausgang des katalytischen Reaktors 20 einen wesentlich anderen Ve rlauf, der durch eine gestrichelt gezeichnete Kurve 29 dargestellt ist. Bei reduzierender Abgaszusammensetzung, d. h. bei kleinen Luft zahlen reagieren die Stickoxide im katalytischen Reaktor 20 mit dem Kohlenmonoxid CO und mit Wasserstoff aus den unverbrannten Kohlenwasserstoffen CH. Deshalb- findet man bei kleinen Luftzahlen am Ausgang des katalytischen Reaktors praktisch keine Stickoxide mehr im Abgas.

Beim überschreiten der Luftzahl A- 1,0 ändern die Abgase ihre Zusammensetzung von reduzierend nach oxidierend, d. h.

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es ist mehr Sauerstoff im Abgas enthalten. Damit können die Stickoxide NOx im katalytischen Reaktor 20 nicht me.hr reduziert werden, so daß für große Luftzahlen die beiden Kurven 28 und 29 zusammenfallen.

In Fig. 3a ist der Aufbau eines Sauerstoff-Meßfühlers schematisch dargestellt. Der Meßfühler besteht aus einem einseitig verschlossenen Röhrchen 34, das aus einem Festelektrolyten gesintert ist. Der Festelektrolyt 34 ist beiderseits mit mikroporösen Platinschichten 35 bedampft. Die beiden Platinschichten 35 sind mit Kontakten versehen_} welche zu elektrischen Anschlußklemmen 36, 37 geführt sind. Das Festelektrolyt-Röhrchen 34 wird durch eine Fassung 32 in der Wand des Abgasrohres gehalten. Die Fassung 32 weist eine Bohrung 33 auf, durch welche Außenluft in den Innenraum des Röhrchens 34 eindringen kann. Die Außenfläche des Röhrchens 34 wird vom Abgas umströmt.

Der Festelektrolyt ist bei höheren Temperaturen, wie sie im Abgasstrom vorherrschen, sauerstoffionenleitend. Als Festelektrolyt kann z. B. Zirkondixoid verwendet werden. Wenn der Sauerstoffpartialdruck des Abgases vom Sauerstoffpartialdruck der Außenluft abweicht, dann tritt zwischen den beiden Anschlußklemmen 36, 37 eine Potentialdifferenz auf, deren Verlauf über der Luftzahl /( durch eine Kurve in Fig. 3b wiedergegeben wird. Diese Potentialdifferenz hängt logarithmisch vom Quotienten der Sauerstoff-Partialdrücke zu beiden Seiten des Festelektrolyten 34 ab. Deshalb ändert sich die Ausgangsspannung des Sauerstoff-Meßfühlers in der Umgebung der Luftzahl/t= 1,0 sprungartig. Infolge der starken Abhängigkeit der Ausgangsspannung von der Luftzahl läßt sich der Sauerstoff-Meßfühler nach Fig. 3a außerordentlich gut zur Ansteuerung des Regelverstärkers 24 verwenden.

Der Schaltplan des Regelverstärkers 24 ist in Fig. 4 darge-

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stellt. Der Regelverstärker 24 enthält einen ersten Operationsverstärker 40, der zur proportionalen Verstärkung des Ausgangssignals des Sauerstoff-Meßfühlers 22 dient, und einen zweiten Operationsverstärker 47, der als Integralregler beschaltet ist. Der Sauerstoff-Meßfühler ist einerseits über einen Eingangswiderstand 4l an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 40 und andererseits an Masse angeschlossen. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 40 liegt über einen Eingangswiderstand 42 am Abgriff eines aus zwei Widerständen 38, 39 bestehenden Spannungsteilers. Zwischen dem Ausgang und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 40 liegt ein Gegenkopplungswiderstand 44, dessen Größe den Verstärkungsfaktor bestimmt. Weiterhin ist der Ausgang des Operationsverstärkers 40 über einen Widerstand 4 3 mit einer Plus leitung 52 verbunden.

Der Ausgang des Operationsverstärkers 40 liegt über einen Eingangswiderstand 48 am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 47. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 47 :st über einen Widerstand 49 an den Abgriff eines Spannungsteilers angelegt, der aus zwei Widerständen 45, 46 besteht. Weiterhin ist der Abgriff des genannten Spannungsteilers über einen einstellbaren Widerstand 53 mit einer Eingangsklemme 54 verbunden. Im Gegenkopplungspfad des Operationsverstärkers 47 liegt zwischen dem Ausgang und dem invertierenden Eingang ein Integrierkondensator 50. Schließlich ist der Ausgang des Operationsverstärkers 47 noch mit einer Aus- . gangsklemme A und über einen Widerstand 51 mit der Plusleitung 52 verbunden.

Die Transistorschalteinrichtung nach Fig. 5 enthält eingangsseitig eine Schaltstufe 55 > die beispielsweise als

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monostabile Kippstufe ausgebildet sein kann. Die monostabile Kippstufe 55 wird vom Impulsgeber 23 angesteuert, der als von einem Nocken betätigter Schalter ausgebildet ist. Der Schalter 2 3 wird synchron zur Kurbelwellendrehzahl so oft geschlossen, daß jedem Einspritzventil 16 bei jeder zweiten Kurbelwellenumdrehung ein Einspritzimpuls zugeführt wird, über den Korrektureingang B wird die Impulsdauer der monostabilen Kippstufe 55 in Abhängigkeit von der gemessenen Luftmenge verändert, so daß bei großer Luftmenge auch mehr Kraftstoff eingespritzt wird und die Luftzahl konstant gehalten v/erden kann.

An den Ausgang der monostabilen Kippstufe 55 ist eine Impulsverlängerungsstufe angeschlossen, die einen Speicherkondensator 60 enthält. Der Speicherkondensator 60 ist mit einer seiner Elektroden an den Kollektor eines Transistors 58 angeschlossen, dessen Emitter über einen Widerstand 59 mit der Plusleitung 52 und dessen Basis mit dem Ausgang der monostabilen Kippstufe 55 verbunden ist. Die Basis des Transistors 58 ist weiterhin mit einer Eingangsklemme A und über einen Widerstand 57 mit Masse verbunden. Die Eingangsklemme A nach Fig. 5 und die Ausgangsklemme A nach Fig. k sind miteinander verbunden.

Der zweite Anschluß des Speicherkondensators 60 ist mit dem Kollektor eines Entladetransistors 6l verbunden. Der Entladetransistor 6l liegt mit seiner Basis am Abgriff eines aus einem Widerstand 62 und einem veränderlichen Widerstand 63 bestehenden Spannungsteilers. Der Emitter des Entladetransistors 6l ist über einen Widerstand 6¹I mit der Plusleitung 52 verbunden. Weiterhin liegt zwischen dem Kollektor des Entladetransistors 6l und der Basis eines Umkehrtransistors 67 eine Diode 65, die so gepolt ist, daß sie den Kollektorstrom des Entladetransistors. 61 durchläßt. Die Basis des Umkehrtransistors 67 ist über einen Widerstand 66 mit Masse verbunden.

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Zwischen dem Kollektor des Umkehrtransistors 67 und der Plusleitung 52 liegt ein Kollektorwiderstand 68.

Der Ausgang der monostabilen Kippstufe 55 und der Kollektor des Umkehrtransistors 67 sind mit zwei Eingängen eines ODER-Gatters 56 verbunden, das einem Schaltverstärker 69 vorgeschaltet ist. Der Schaltverstärker 69 steuert eine Magnetwicklung 70 an, die zur Betätigung des Einspritzventils 16 dient.

Nachdem der Schaltungsaufbau des Regelverstärkers 2k und der Transistorschalteinrichtung 25 beschrieben ist, wird in den folgenden Absätzen die Funktionsweise des ersten Ausführungsbeispiels anhand der Figuren 1 bis 5 erläutert. Die Funktionsweise der Transistorschalteinrichtung nach Fig. 5 ist von anderen elektronisch gesteuerten Benzineinspritzungsanlagen her bekannt, z. B. aus der DT-AS 15 26 506. Sie wird daher nur noch kurz beschrieben. Die Dauer der Ausgangsimpulse der monostabilen Kippstufe 55 ist - wie schon oben erwähnt - abhängig von der Luftmenge. Der Ausgangsimpuls der monostabilen Kippstufe 55 wird über das ODER-Gatter 56 direkt dem Schaltverstärker 69 zugeführt. An diesen Ausgangsimpuls schließt sich ein Verlängerungsimpuls an, der in der Impulsverlängerungsstufe mit den Transistoren 58 und 6l gebildet wird. Die Dauer des Verlängerungsimpulses ist proportional zur Dauer des Ausgangsimpulses der monostabilen Kippstufe 55· Weiterhin wird die Dauer des Verlängerun^simpulses durch den veränderlichen Widerstand 63 beeinflußt, der zum Beispiel als NTC-Widerstand ausgebildet sein kann und dann zur Messung der Motortemperatur dient. Schließlich läßt sich die Dauer des Verlängerungsimpulses noch durch die am Eingang A anliegende Spannung beeinflussen. Die am Eingang

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A anliegende Spannung beeinflußt über den Transistor 58 den Aufladestrom des Kondensators 60 während der Impulsdauer der monostabilen Kippstufe 55· Damit beeinflußt sie auch die Höhe des Spannungssprungs, der am Ende des Ausgangsimpulses der monostabilen Kippstufe 55 über den Kondensator 60 übertragen wird. Dagegen beeinflußt eine Veränderung des Widerstandes 63 den Entladestrom des Kondensators 60 und damit den Zeitpunkt, zu dem nach einer anfänglichen Sperrung der Umkehrtransistor 67 wieder leitend wird.

-An den Basiselektroden der beiden Transistoren 58, 61 lassen sich auch noch weitere Korrekturspannung zuführen, so daß zum Beispiel eine Gemischanreicherung während des Warmlaufs der Brennkraftmaschine erzielbar ist. Der Umkehrtransistor 67 ist im stationären Zustand leitend. Der Transistor 67 kann gesperrt werden, wenn vom Kondensator 60 ein negativer Impuls'übertragen wird. Das Nutzsignal am Kollektor des Transistors 67 ist daher ebenso wie das Ausgangssignal der monostabilen Kippstufe 55 ein L-Signal, d. h. es entspricht dem Potential der Plusleitung 52. Das ODER-Gatter 56 gibt an seinem Ausgang ein L-Signal ab, wenn an einem seiner Eingänge ein L-Signal liegt. Daher wird der Ausgangsimpuls der Impulsverlängerungsstufe zeitlich an den Ausgangsimpuls der monostabilen Kippstufe 55 angefügt.

Zur Beschreibung eines speziellen Betriebsfalles sei angenommen, daß die Dauer der Ausgangsimpulse der Transistorschalteinrichtung 25 etwas zu lang ist. Es wird zuviel Kraftstoff eingespritzt und das Gemisch wird zu fett. Wie man aus Fig. 3b sieht, entspricht der Luftzahl/V , die kleiner als 1,0 ist, eine relativ hohe positive Sondenausgangsspannung.

Die Ausgangsspannung des Meßfühlers 22 wird im Operationsverstärker 40 weiter verstärkt. Da der Operationsverstärker AO

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als Umkehrverstärker beschaltet ist, nimmt die Ausgangsspannung einen negativen Wert an, der über den Eingangswiderstand 48 am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 47 liegt. Dieser ist als Integrierer beschaltet und integriert demzufolge bei negativer Eingangsspannung in positiver Richtung. Das Potential am Ausgang A verschiebt sich dabei langsam in positiver Richtung. Je positiver das Eingangspotential am Punkt A (siehe Pig. 5) ist, um so kleiner wird der durch den Transistor 58 fließende Aufladestrom für den Kondensator 60. Die Impulsdauer der ImpulsVerlängerungsstufe wird dadurch verkürzt, so daß sich am Ausgang des ODER-Gatters 56 an den Ausgangsimpuls der monostabilen Kippstufe 55 nur ein kürzerer Ausgangsimpuls der ImpulsVerlängerungsstufe anschließt. Die Magnetwicklung 70 wird also für eine kürzere Zeit erregt, und es wird weniger Kraftstoff eingespritzt. Das Gemisch wird abgemagert, bis die Luftzahl Λ. = 1,0 erreicht ist. Dann nimmt die Ausgangsspannung des Sauerstoff-Meßfühlers 22 schlagartig ab, und der Operationsverstärker 47 integriert in umgekehrter Richtung der oben beschriebenen Vorgänge in negativer Richtung, so daß die Dauer der Ausgangsimpulse der Impulsverlangerungsstufe wieder größer wird.

Mit Hilfe der Ausgangsspannung des Sauerstoff-Meßfühlers 22 wird demnach jede Abweichung von der LuftzahlA - 1,0 korrigiert. Durch geeignete Dimensionierung der Spannungsteiler 38, 39 und 45, 46 (siehe Fig. 4) läßt es sich erreichen, daß nicht clie Luft zahl Λ = 1*0, sondern eine Luftzahl/(= 0,98 eingeregelt wird. Dies ist günstiger, weil dann der katalytische Reaktor 20 die Stickoxide besser abbauen kann, während sich noch keine wesentliche Vergrößerung der Kohlenmonoxid- und Kohlenwasserstoffemission ergibt.

Der katatlytische Reaktor 20 enthält einen keramischen Katalysator, der als aktive Substanzen vorzugsweise Bariumchromat und Kupferchromat enthält. Diese Substanzen

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sind für Reduktions- bzw. Oxidationsreaktionen katalytisch besonders gut wirksam, weil die Chromate ihre Oxidationsstufe relativ leicht ändern. Zur Reduktion der Stickoxide, die vor allem als NO und N0_? vorlie-gen, dienen das Kohlenmonoxid und der Wasserstoff aus den unverbrannten Kohlenwasserstoffen. Das Verhältnis der wirksamen Massen von CO/H-ist dabei ungefähr gleich 3:1.

Es ist demnach gewährleistet, daß im katalytischen Reaktor 20 außer den Stickoxiden auch noch die Kohlenwasserstoffe und das Kohlenmonoxid weiter abgebaut werden. Die gesamten Schadstoffmengen im Abgas sind am Ausgang des katalytischen Reaktors 20 außerordentlich niedrig.

In praktischen Versuchen hat es sich als außerordentlich' vorteilhaft erwiesen, dem Regelverstärker 2k eine Integralreglercharakteristik zu geben, da so bleibende Regelabweichungen sicher vermieden werden können. Solche Regelabweichungen könnten sich zum Beispiel durch alterungsbedingte Änderungen der Meßfühler-Ausgangsspannung ergeben.

Beim zweiten Ausführungsbeispiel nach FLg. 6 erhält die Brennkraftmaschine 11 den Kraftstoff nicht über eine Einspritzanlage sondern über einen Vergaser zugeführt. Vor der Drosselklappe 15 mündet eine Vergaserdüse 71 in das Ansaugrohr 13. Zwischen einer Kraftstoffleitung 73 und der Vergaserdüse 71 ist eine veränderbare Drossel 72 angeordnet, die elektrisch betätigbar ist. Zur Umgehung der Drosselklappe 15 verläuft parallel zum Ansaugrohr 13 ein Bypass 75> in dem eine Bypassklappe 76 angeordnet ist. Auch die Bypassklappe 76 ist elektrisch ansteuerbar, über den Bypass 75 kann zusätzlich Verbrennungsluft an der Drosselklappe 15 vorbeigeleitet werden, so daß sich die Luftzahl des Gemische beeinflussen läßt.

Das zweite Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 weist außerdem

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einen stark vereinfachten Thermoreaktor auf. Als Thermoreaktor dient nämlich die Abgas-Sammelleitung, deren Außenwand thermisch gegenüber der Umgebungsluft isoliert ist. Infolge der thermischen Isolierung heizt sich beim Betrieb der Brennkraftmaschine 11 die Außenwand der Abgas-Sammelleitung auf hohe Temperaturen von etwa 600 bis 800 ° C auf. Diese Temperaturen reichen aus, um eine Nachverbrennung des Kohlenmonoxids und der Kohlenwasserstoffe einzuleiten.

An die thermisch isolierte Abgas-Sammelleitung 18 schließt sich wie beim ersten Ausführungsbeispiel der katalytische Reaktor 20 an, dessen Ausgang mit der Abgasleitung 21 verbunden ist. Vor dem katalytischen Reaktor 20 ist in der Wand der Abgasleitung der Sauerstoff-Meßfühler 22 angeordnet. Der elektrische Aasgang des Sauerstoff-Meßfühlers 22 ist mit dem Eingang eines Regelverstärkers lh verbunden. Der Ausgang des Regelverstärkers lh kann entweder mit dem elektrischen Eingang der veränderbaren Drossel 72 oder mit dem elektrischen Eingang der Bypassklappe 16 verbunden sein. Dies ist in Fig. 6 einmal mit einer ausgezogenen und einmal mit einer unterbrochenen Linie angedeutet.

Der Schaltplan des Regelverstärkers lh ist teilweise in Fig. 7 dargestellt. Eingangsseitig stimmt der Regelverstärker genau mit dem Regelverstärker 24 nach Fig. h überein: dem Sauerstoff-Meßfühler 22 ist ein zur Proportionalverstärkung dienender Operationsverstärker 40 nachgeschaltet. Diese Bauteile sind daher in Fig. 7 nicht mehr eingezeichnet. Der nachfolgende Integralregler enthält einen Operationsverstärker 77, dessen invertierender Eingang über einen Eingangswiderstand 78 mit einer Klemme 80 verbunden ist. Die Klemme 80 ist an den Ausgang des Operationsverstärkers 40 nach Fig. k angeschlossen.

Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 77 liegt über einen Eingangswiderstand 79 am Abgriff

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eines aus zwei Widerständen 8l,82 bestehenden Spannungsteilers. Am Abgriff des Spannungsteilers 8l,82 ist außerdem ein veränderbarer Widerstand 83 angeschlossen, der weiterhin mit einer Eingangsklemme 84 verbunden ist. Die Eingangsklemme 84 dient wie die Eingangsklenme 5^ nach Fig. 4 zum Zuführen von Korrekturspannungen. Solche' Korrekturspannungen können z.B. das Warmlaufverhalten der Brennkraftmaschine beeinflussen. Der Ausgang des Operationsverstärkers 77 ist einerseits über einen Integrierkondensator 85 an den invertierenden Eingang und andererseits über einen Widerstand 86 an die Plus leitung 52 angeschlossen.

Vom Ausgang des Operationsverstärkers 77 führt 1. ein aus zwei Widerständen 87,88 bestehender Spannungsteiler zur Plusleitung 52 sowie 2. ein ebenfalls aus zwei Widerständen 89,90 bestehender Spannungsteiler zur Masseleitung. Die Abgriffe der beiden letztgenannten Spannungsteiler sind über je eine Diode 91,92 mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 77 verbunden. Dabei liegt die Diode 91 mit ihrer Anode und die Diode 92 mit ihrer Kathode am invertierenden Eingang. Schließlich ist an den Ausgang des Operationsverstärkers 77 noch ein Leistungsverstärker 93 angeschlossen, der eine Stellmagnetwicklung 9^ ansteuert. Die Stellmagnefcwicklung 9¹* kann zur Betätigung der veränderbaren Drossel 72 oder zur Betätigung der Bypassklappe 76 herangezogen werden.

Der Regelverstärker 74 nach Fig. 6 und 7 unterscheidet sich also vom Regelverstärker 24 nach Fig. 1 und 4 nur durch die beiden Dioden 91>92 und die beiden Spannungsteiler 87,88 und 89,90. Die beiden Dioden 91,92 haben die Aufgabe, die Aufladespannung des Integrierkondensators 85 zu begrenzen. Beim Integrierkondensator 50 nach Fig. 4 kann es nämlich vorkommen, daß er auf die volle Betriebsspannung aufgeladen wird. Das ist z.B. der Fall, wenn der Sauerstoff-Meßfühler 22 infolge kleiner Luftzahl längere Zeit seine maximale Ausgangsspannung abgibt. Dann liegt der Ausgang des Operationsverstärkers

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auf Massepotential und die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 47 verschiebt sich allmählich auf das Potential der Plus leitung 52. Wird die Luftzahl jetzt plötzlich größer, dann muß der Integrierkondensator zuerst wieder von der vollen Betriebsspannung aus entladen werden. Dadurch ergibt sich eine relativ große Verzögerungszeit.

Die beschriebene Möglichkeit ist beim Rege!verstärker 7^ nach Fig. 7 nicht gegeben. Wenn die Eingangsklemme 80 nahezu auf Massepotential liegt, dann kann sich die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 77 nur soweit in positiver Richtung verschieben, bis die Diode 92 leitend wird. Dieser Spannungswert ist durch das Spannungsteilerverhältnis 89,90 gegeben. Sobald die Diode 92 leitend ist, wird das Potential am invertierenden Eingang in positiver Richtung,gezogen, so daß der Integrierkondensator 85 nicht weiter aufgeladen werden kann.

Die Diode 91 wird wirksam, wenn die Eingangsklemme 80 auf Pluspotential liegt. Die beiden Dioden 91,92 bewirken also eine geringfügige Verkleinerung des Regelhubes, welche aber zu einem schnelleren Ansprechen des Regelverstärkers 74 führt, weil der Kondensator 85 nicht so weit umgeladen werden muß. änderungen der Meßfühler-Ausgangsspannung wirken sich deshalb schneller auf die Stellmagnetwicklung 94 aus. Der Integralregler nach Fig. 7 kann auch anstelle des Integralreglers nach Fig. ¹J verwendet werden, wenn eine Einspritzanlage nach Fig. 1 vorgesehen ist.

Die Funktionsweise des zweiten Ausführungsbeispiels nach Fig. 6 ist im wesentlichen gleich wie die Funktionsweise des ersten Ausführungsbeispiel. Wenn der Sauerstoff- Meßfühler. 22 eine zu niedrige Luftzahl Λ feststellt und demzufolge eine hohe Ausgangsspannung abgibt, dann gibt auch der Operationsverstärker 77 eine höhere Ausgangs-

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spannung ab und die Stellmagnetwicklung 9^ wird stärker erregt. Die veränderbare Drossel 72 ist so ausgebildet, daß sie bei stärkerer Erregung der Magnetv/icklung 9^ weniger Kraftstoff aus der Kraftstoffleitung 73 in die Vergaserdüse 71 eintreten läßt. Dadurch wird die Luftzahl /{. größer und die Ausgangsspannung des Sauerstoff-Meßfühlers 22 vermindert sich.

Falls eine veränderbare Drossel 72 für den Kraftstoff vorgesehen ist, kann der Bypass 75 unter Umständen vollständig entfallen. Umgekehrt kann man auf die veränderbare Drossel 72 verzichten, wenn ein Bypass 75 mit einer einstellbaren Bypassklappe 76 vorgesehen ist. Die Bypasaklappe 76 muß so ausgebildet sein, daß sie bei stärkerer Erregung der Stellmagnetwicklung 9^ weiter geöffnet wird. In dem oben beschriebenen Fall wird dann bei zu kleiner Luftzahl die Bypassklappe 76 weiter geöffnet, so daß sich die Luftzahl A- erhöht.

Wie aus der Beschreibung der beiden Ausführungsbeispiele hervorgeht, ermöglicht die Kombination eines Thermoreaktors mit einem katalytischen Reaktor und mit einer Regelschaltung fürdie Luftzahl /t eine sehr weitgehende Nachverbrennung der Abgase einer Brennkraftmaschine. Die Regelcharakteristik des Regelverstärkers 2*1 bzw. 7*J ttuß einen Integralanteil atfweisen, damit bleibende Regelabweichungen sicher korrigiert v/erden. Für die Funktionsweise ist es weitgehend unerheblich, ob eine Kraftstoffeinspritzanlage oder eine regelbare Vergaseranlage Verwendung findet. In beiden Fällen ist gewährleistet, daß bei kleinem Aufwand für die beiden Reaktoren die Abgase sehr gut gereinigt werden. Damit ist die eingangs gestellte Aufgabe gelöst.

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Claims

Robert Bosch GmbH R. 700 Sk/Kb 2207614 Stuttgart Ansprüche

1.: Abgasnachverb re nnungs einrichtung für eine Brennkraftmaschine, ^ mit einem ersten Reaktor zur Verbrennung des Kohlenmonoxids und der Kohlenwasserstoffe und mit einem zweiten, katalytischen Reaktor zur Reduktion der Stickoxide, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Reaktor (19) als Thermoreaktor ausgebildet ist und daß ein im Abgasstrom angeordneter Sauerstoff-Meßfühler (22) über einen Regelverstärker (24) eine Xraftstoffzumeßvorrichtung derart ansteuert, daß das Massenverhältnis von Luft zu Kraftstoff (Luftzahl _f\ ) auf einen geringfügig unterstöchiometrischen Wert eingeregelt wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoff-Meßfühler (22) einen sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten (3*1) enthält, der einerseits mit dem Abgasstrom und andererseits mit der Umgebungsluft in Berührung steht.

3· Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoff-Heßfühler zwischen dem ersten und dem zweiten Reaktor (19,20) angeordnet ist.

¹J. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß als Thermoreaktor (19) eine thermisch gegenüber der Umgebungsluft isolierte Abgas-Sammelleitung (18) vorgesehen ist. - 18 -

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5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis Ί, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelverstärker (2*J bzw. 7*0 als Integralregler ausgebildet ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Integralregler ein integrierter Operationsverstärker vorgesehen ist, bei dem in einen Gegenkopplungszweig zwischen dem Ausgang und den invertierenden Eingang ein Integrierkondensator (50 bzw. 85) liegt.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Integralregler Mittel zur Regelhubbegrenzung vorgesehen sind.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß vom Ausgang des Operationsverstärkers (77) ein erster Spannungsteiler (87,88) zur Plusleitung (52) und ein zweiter Spannungsteiler (89,90) zur Masseleitimg führt, und daß als Mittel zur Rege!hubbegrenzung zwei Dioden (91,92) vorgesehen sind, die jeweils zwischen den Abgriff des ersten bzw. zweiten Spannungsteilers (87,88 bzw. 89,90) und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (77) liegen.

9· Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn- zeichnet, daß als Kraftstoff zündvorrichtung eine elektronisch

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gesteuerte Kraftstoffeinspritzanlage mit einer Transistorschalteinrichtung (25) vorgesehen ist, Vielehe in Abhängigkeit von der mit einen Luftmengenmesser (I²O gemessenen Luftnenge· die Öffnungsdauer wenigstens eines Sinspritzventiles (16) steuert, und daß der Regelverstärker (2*0 an einen Korrektureingang (A) der Transistorschalteinrichtung (25) angeschlossen ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistorschalteinrichtung (25) eingangsseitig eine monostabile Kippstufe (55) enthält, die von einem Impulsgeber (23) synchron zur Kurbelwellendrehzahl der Brennkraftmaschine (11) auslösbar ist, daß die Impulsdauer der monosta.bilen Kippstufe (55) über einen Korrektureingang

(B) beeinflußbar ist und daß der elektrische Ausgang des Luftmengenmessers (14) mit dem Korrektureingang (B) verbunden ist.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der monostabilen Kippstufe (55) eine Impulsverlängerungsstufe nachgeschaltet is_%t, daß die Ausgänge der monostabilen Kippstufe (55) und der ImpulsVerlängerungsstufe (57 bis 68) mit Eingängen eines ODER-Gatters (56) verbunden sind und daß der Ausgang des ODER-Gatters (56) mit einem Schaltverstärker (69) verbunden ist, der eine zur Betätigung des Einspritzventiles (l6) dienende iMagnetwicklung (70) ansteuert.

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12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Korrektureingang (A) mit dem Eingang der Impulsverlängerungsstufe (57 bis 68) verbunden ist und daß die Dauer der Verlängerungsimpulse vom Ausgangssignal des Regelverstärkers (24) beeinflußbar ist.

13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in einem zu den Einlaßventilen der Brennkraftmaschine (11) führenden Ansaugrohr (13) eine Vergaserdüse (71) angeordnet ist, die über eine veränderbare Drossel (72) an eine Kraftstoffleitung (73) angeschlossen ist, und daß ein elektrischer Eingang der veränderbaren Drossel (72) mit dem Ausgang des Regelverstärkers (7*0 verbunden ist.

lHJiinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß im Ansaugrohr (13) eine durch ein Gaspedal verstellbare Drosselklappe (15) angeordnet ist, daß vor der Drosselklappe (15) ein Bypass (75) vom Ansaugrohr (13) abzweigt und daß der Bypass (75) hinter der Drosselklappe (15) wieder ins Ansaugrohr (13) mündet.

15.Einrichtung nach Anspruch I¹I, dadurch gekennzeichnet, daß im Bypass (75) eine elektrisch betätigbare Bypassklappe (76) vorgesehen ist, deren elektrischer Eingang mit dem Ausgang des Regelverstärkers (7¹O verbunden ist.

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