DE2225534A1

DE2225534A1 - Anordnung zur verringerung der schadstoffanteile in den abgasen einer brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2225534A1
Application number: DE2225534A
Authority: DE
Inventors: Istvan Dipl Ing Geiger; Herbert Hansen; Herbert Prof Dr Ing Heitland; Axel Dr Ing Koenig; Holger Menrad
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1972-05-26
Filing date: 1972-05-26
Publication date: 1973-12-06
Also published as: IT985626B; FR2187013A5; JPS4943014A; GB1423641A

Description

VOLKSWAGENWER
Aktienge Seilschaft

5180 Wolfsbur^

Unsere Zeichen: K 1279
9709-Hu/Sa

•^5.5.72

Anordnung zur Verringerung der Schadstoffanteile in den Abgasen einer Brennkraftmaschine

Wie sich gezeigt hat, ist es nicht möglich, allein durch Maßnahmen am Gemischbildner (Vergaser, Einspritzanlage) und an einer eigentlichen Brennkraftmaschine Schadstoffkonzentrationen in den Abgasen einer Brennkraftmaschine zu erreichen, die unterhalb eines tragbaren Mindestwertes liegen.»Daher tendiert die Entwicklung auf diesem Gebiet zur Verwendung von thermischen und katalytischen Abgasreinigungsanlagen.

Grundsätzlich sind die zur Zeit durch die Gesetzgebung limitierten Schadstoffe in zwei iQassen einzuteilen, nämlich in die zu oxydierenden (Kohlenmonoxyd und Kohlenwasserstoffe) und die zu reduzierenden (Stickoxyde). Im allgemeinen müssen beide Schad-Btoffklassen durch unterschiedliche Maßnahmen beseitigt werden. Beispiele für die Beseitigung nor oxydierbaren Bestandteile sind die Nachverbrennung in einem thermischen Reaktor oder in einem kataly-

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tischen Konverter. Die Voraussetzung dafür ist jeweils eine oxydierende Atmosphäre in dem betreffenden Apparat. Die Stickoxyde lassen sich "beispielsweise durch einen Reduktionskatalysator beseitigen. Es gibt auch Katalysatoren, die sowohl oxydierend als auch reduzierend eingesetzt werden können, jedoch existieren bisher keine Reduktionskatalysatoren für Stickoxyde, die unter größerem SauerstoffÜberschuß arbeiten. Weiterhin ist es nicht möglich, mit den heutigen Methoden der Gemischbildung eine Brennkraftmaschine so zu betreiben, daß die sie verlassenden Abgase einerseits für die Oxydation der Kohlenwasserstoffe und des Kohlenmonoxyds genügend Sauerstoff enthalten, andererseits aber nicht so sauerstoffreich sind, daß der Stickoxydkatalysator nicht mehr arbeitet. Aus diesem Grunde ist es erforderlich, die Abgase in zwei Stufen zu behandeln, wobei in der ersten Stufe mit reduzierender Atmosphäre die Stickoxyde konvertiert werden. Durch Zugabe von Sekundärluft vor der zweiten Stufe wird dann eine oxydierende Atmosphäre erzeugt, so daß in einem zweiten Konverter die oxydierbaren Bestandteile verbrannt werden können.

Insbesondere zur Verringerung der Schadstoffanteile in den Abgasen einer Brennkraftmaschine, die in einem Fahrzeug, beispielsweise einem Personenkraftwagen, angeordnet ist, ist die Verwendung von zwei Konvertern im Hinblick auf die beengten Platz- und Gewichtsverhältnisse sehr nachteilig. Es besteht daher Bedarf an eine-r Anordnung der bezeichneten Art, die mit einem einzigen, möglichst kleinen und leichten Konverter auskommt.

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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Verringerung der Schadstoffanteile in den Abgasen einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeug- ' motors, die mit Mitteln zur Bildung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs ausgerüstet ist, mit einem katalytischen Konverter. Die oben definierte Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer derartigen Anordnung dadurch gelöst, daß Temperaturfühler im Konverter an zumindest zwei Stellen desselben, die im Betrieb des Konverters unterschiedliche Temperaturen annehmen, angeordnet und ausgangsseitig zusammengefaßt sind zur Bildung eines der von dem Istwert des Luftverhältnisses der Maschine abhängigen Temperaturdifferenz zwischen den Stellen entsprechenden Signals, das als Stellgröße den Mitteln zur Gemischbildung zur Regelung auf einen Sollwert des Luftverhältnisses zugeführt wird, bei dem gerade die für den optimalen Betrieb des Konverters erforderliche Säuerstoffmenge in den die Maschine verlassenden Abgasen enthalten ist.

Ein wesentliches Merkmal der erfindungsgemäßen Anordnung besteht also darin, daß unter Ausnutzung der Eigenschaften des Katalysatormaterials, nämlich der Temperaturerhöhung desselben (bzw. des Abgasstromes) "bei seinem Wirksamwerden, das Luftverhältnis der Brennkraftmaschine auf einen bestimmten Wert eingeregelt wird,. Hur bei diesem bestimmten Sollwert des Luftverhältnisses, der in aller Regel zumindest ungefähr 1,0 betragen wird, ist es möglich, alle Schadstoffanteile in demselben Konverter ohne Sekundärluftzufuhr zu beseitigen. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wird also nicht nur ein zweiter Konverter eingespart, sondern zugleich auch eine Einrich-

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tung zur Zuführung von Sekundärluft, die Energie verbraucht ♦

Im Falle einer Vergaser-Brennkraftmaschine kann die Stellgröße dem Yerstellmechanismus eines Einstellventils für die Kraftstoff- oder Luftzumessung im Vergaser oder Saugrohr zugeführt werden (Querschnittssteuerung) . Bei einer Brennkraftmaschine mit intermittierender Kraftstoffeinspritzung dagegen kann die Stellgröße einer die Einspritzdauer bestimmenden Einrichtung zugeführt werden. Diese LösungsVariante wird man insbesondere bei einer elektronischen Kraftstoffeinspritzung wählen. Man kann aber - und diese Ausführungsform der Erfindung wird man beispielsweise bei einer mechanischen Kraftstoffeinspritzvorrichtung wählen - die Stellgröße auch einer den Einspritzdruck bestimmenden Einrichtung zuführen. Dabei handelt es sich in erster Linie um einen ohnehin vorhandenen Druckregler.

Es besteht außerdem die Möglichkeit, mit der Stellgröße über einen Verstellmechanismus Zusatzluft in das Saugsystem des Motors zu geben und so das Luftverhältnis /\ zu verändern.

Hinsichtlich der ausgangsseitigen Zusammenfassung der Temperaturfühler sieht die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung vor, daß Temperaturfühler mit temperaturabhängigen Werten ihres elektrischen Widerstandes ausgangsseitig über eine¹ Brückenschaltung zusammengefaßt sind und an einer Diagonalen derselben die Stellgröße abgegriffen wird. Zeigt die mittels der Temperaturfühler ermittelte Temperaturdifferenz an, daß ein von dem Wert /V = 1»0 in unerwünschter Weise abweichender Wert des Luftverhältnisses vorliegt, so wird hierdurch die

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Brücke verstimmt und an ihrer läagonale eine Stellgröße in Gestalt einer elektrischen Spannung abgegriffen, die, wie oben erwähnt, beispielsweise dem Yergaser oder einer Einspritzanlage vorzugsweise über Stellmotoren so zugeführt wird, daß der Gemischbildner im Sinne der Einregelung auf A = 1»0 in seiner Arbeitsweise verändert wird. Anstelle dieses Wertes des Luftverhältnisses kann, um dies nochmals herauszustellen, auch ein anderer Wert eingeregelt werden, wenn bei diesem anderen Sollwert des Luftverhältnisses die für den Betrieb des Konverters erforderliche Sauerstoffmenge in den die Maschine verlassenden Abgasen enthalten ist.

Im folgenden werden nun "zweckmäßige erfindungsgemäße Ausgestaltungen des Konverters selbst angegeben.

Die einfachste diesbezügliche Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß eine der Stellen im Bereich des Abgaseintritts in den Konverter und eine andere Stelle in Richtung derselben Abgasströmung "dahinter liegt. Hier werden also lediglich zwei Temperaturfühler, die als Thermoelemente oder elektrische Widerstandstemperaturfühler ausgebildet sein können, in Strömungsrichtung der Abgase hintereinander angeordnet, so daß das Katalysatormaterial ganz oder teilweise zwischen diesen Temperaturfühlern liegt. Da bei dem erfindungsgemäß gewählten Sollwert des Luftverhältnisses, also vorzugsweise ^= 1,0,der größte chemische Umsatz im Katalysatormaterial auftritt, hat auch die durch die Temperaturfühler ermittelte Temperaturdifferenz ihren Maximalwert. Ein besonderer Vorteil dieser erfindungsgemäßen Anordnung is,t mithin darin zu sehen, daß keine Messung von Absolutwerten der Temperatur zu erfolgen braucht, sondern daß lediglich eine störungssichere Regelung auf den Maximalwert der Temperaturdifferenz vorgenommen

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wird. Bedeutsame Vorteile der Erfindung sind ferner darin zu sehen, daß die Regelung unabhängig ist vom Absolutwert der Temperatur der Abgasströmung und auch von der Abgasgeschwindigkeit; auch das absolute Schadstoffemissionsniveau der Brennkraftmaschine macht sich nicht bemerkbar.

Um eine möglichst große Temperaturdifferenz zu erhalten, wird man. die andere mit einem Temperaturfühler versehene Stelle in den Bereich des Abgasaustritts aus dem Konverter legen. Pur den Katalysator können an sich bekannte Materialien Verwendung finden. Da der Konverter relativ klein gehalten werden kann, ist es auch preislich vertretbar, einen Edelmetallkatalysator einzusetzen. Dies gilt auch für die weiteren Ausführungsbeispieüe der Erfindung, die im folgenden erläutert werden.

Während die zuerst beschriebene Ausführungsform der Erfindung den Vorteil eines sehr einfachen und preisgünstigen Aufbaues besitzt, wird man dann, wenn man eine besonders eindeutige Regelkennlinie anstrebt, eine dadurch gekennzeichnete Konstruktion wählen, daß der Konverter in Richtung der Abgasströmung hinter einer Katalysatormasse in zwei von Abgasteilströmungen durchströmte parallele Kammern unterteilt ist, die beide katalytisch aktives Material sowie diesem zugeordnete, ausgangsseitig zur Bildung der Temperaturdifferenz zwischen den Kammern zusammengefaßte Temperaturfühler enthalten und von denen einer Kammer zwischen der Katalysatormasse und dem katalytisch aktiven Material Sauerstoff, dage-

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gen der anderen Kammer zwischen der Katalysatormasse und dem katalytisch aktiven Material Abgas, und/oder Kraftstoff zugeführt wird.

Während also bei dem ersterwähnten Ausführungsbeispiel die Temperaturfühler in Richtung der Abgasströmung hintereinanderliegdn, erfolgt bei dieser Konstruktion eine Aufteilung der Abgasströmung in zumindest zwei Abgasteilströmungen, in denen jetzt Temperaturfühler praktisch parallel liegen. Diese beiden Abgasteilströmungen können durch einfache Aufteilung der Gesamt strömung in zwei Teilströmungen gewonnen sein; es ist jedoch auch möglich, eine größere Anzahl von Teilströmungen, beispielsweise drei Strömungen, aus der Gesamtströmung zu gewinnen, von denen aber lediglich zwei Teilströmungen zur Temperaturmessung herangezogen werden.

Wie bereits erläutert, wird einer der Kammern Sauerstoff, dagegen der anderen der Kammern Abgas und/oder Kraftstoff zugeführt. Dies bedeutet,- daß der einen Kammer kein Abgas und/oder Kraftstoff, dagegen der anderen Kammer kein Sauerstoff zugeführt wird, wobei die Sauerstoffzufuhr in aller Regel durch eine Luftzufuhr realisiert wird. In den Fällen, in denen eine fette Einstellung der Brennkraftmaschine vorliegt, findet sich im Abgas mehr oxydierbare Bestandteile, so daß in der Abgasströmung an sich Sauerstoffmangel besteht. Bei magerer Einstellung der Brennkraftmaschine besteht dagegen ein Übergewicht an Sauerstoff. In Abhängigkeit von der Einstellung der Brennkraftmaschine, d. h. letztlich des Gemischbildners, arbeitet nun das katalytisch aktive Material in eirier der

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beiden Kammern des Konverters. Dabei dient die vorgeschaltete Katalysatormasse zur Schaffung einer definierten Abgaszusammensetzung. Diese Katalysatormasse kann sehr klein gehalten werden, so daß sie elektrisch aufgeheizt werden kann, damit sie sehr schnell anspricht. Die Wirkung dieser Katalysatormasse, die also die' die beiden Kammern durchströmenden Abgasteilströmungen erfaßt, besteht darin, daß sie entweder alle oxydierbaren Bestandteile in den Abgasen verbrennt oder den gesamten in den Abgasen enthaltenen Sauerstoff verbraucht. In Abhängigkeit davon, ob die Brennkraftmaschine fett oder mager eingestellt ist, finden sich demgemäß in Strömungsrichtung hinter der Katalysatormasse in den Abgasen nur verbrennbare Bestandteile (Kohlenmonoxyd, Kohlenwasserstoffe) oder nur Sauerstoff. Demgemäß erfolgt bei einer zu fetten Motoreinstellung, also einem Luftverhältnis unter 1,0, eine katalytische Reaktion nur am katalytisch aktiven Material der einen Kammer des Konverters, der Sauerstoff, also Luft zugeführt wird, während in der anderen Konverterkammer keine Umsetzung stattfindet. Umgekehrt erfolgt eine Umsetzung bei einem zu mager eingestellten Gemischbildner nur in der anderen Kammer, der zusätzlich Abgas und/oder Kraftstoff zugeführt wird. Bildet man also mittels der Temperaturfühler die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Kammern des Konverters hinter dem katalytisch aktiven Material, so ist ihr Vorzeichen abhängig von dem jeweils vorliegenden Istwert des Luftverhältnisses. Nur bei dem vorgegebenen Sollwert des Luftverhältnisses, also in aller Regel, bei X =1,0, wirken die katalytisch aktiven Materialien in den beiden Kammern des Konverters in gleichem Maße, nämlich überhaupt nicht, so daß die Temperaturdifferenz verschwindet. Die Regelung erfolgt

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also wiederum so, daß beispielsweise der Vergaser mittels der durch die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Kammern gewonnenen Stellgröße auf den vorgegebenen Sollwert des Luftverhältnisses eingeregelt wird.

Bei dieser Ausführungsform der Erfindung wird man in den Kammern an Stellen im Bereich des Abgaseintritts und des Abgasaustritts am katalytisch aktiven Material je einen Temperaturfühler anordnen, so daß in jeder Kammer ähnliche Verhältnisse wie bei der zuerst erläuterten einfachsten Ausführungsform der Erfindung vorliegen. Die Temperaturfühler selbst können beispielsweise als· Thermoelemente ausgebildet werden; die Zusammenfassung der Ausgänge der Thermoelemente erfolgt, wie erwähnt, zweckmäßigerweise so, daß die Differenz der in beiden Kammern auftretenden Temperaturdifferenzen als Stellgröße ausgenutzt wird. Verständlicherweise sind hier auch andere Zusammenhänge durch die Zusammenschaltung erzielbar.''Beispielsweise kann man auch die Summe der in den beiden Kammern auftretenden Temperaturdifferenzen durch entsprechende Zusammenschaltung erreichen, jedoch ergeben'sich dann für fette und magere Einstellung des Gemischbildners dieselben Absolutwerte der Stellgröße, so daß ein zusätzliches Kriterium für die Entscheidung "fett" und "mager" eingeführt werden muß.

Bei einer anderen Ausführung der Erfindung sind in den Kammern jeweils zumindest zwei Temperaturfühler mit temperaturabhängigen Werten ihres elektrischen Widerstandes angeordnet, von denen jeweils zumindest einer mit dem katalytisch aktiven Material versehen ist.

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Hier hat man also eine Zusammenfassung der Temperaturfühler und der katalytisch aktiven Materialien. Für die temperaturabhängigen elektrischen Widerstände kann man beispielsweise Platindrähte verwenden, wobei jeweils ein Temperaturfühler je Kammer durch ein Katalysatorgift, also beispielsweise einlegiertes Blei oder Phosphor, katalytisch'inaktiviert ist.

In diesem Falle wird man die in jeweils einer Kammer angeordneten Temperaturfühler einen Längszweig der Brückenschaltung bilden lassen und die Stellgröße zwischen den mit dem katalytisch aktiven Material versehenen und den hiervon freien Temperaturfühlern abgreifen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer figürlich dargestellter Ausführungsbeispiele erläutert. ,Dabei zeigen die Figuren 1, 2 und 5 verschiedene erfindungsgemäß verwendete Konverter, die Figuren- 3 und 6 mögliche elektrische Zusammenschaltungen der Ausgänge verschiedener Formen von Temperaturfühlern, die Figuren 4 und 7 zugeordnete Kennlinien der Stellgröße in Abhängigkeit von dem jeweils vorliegenden Luftverhältnis und die Figuren 8 und 9 konstruktive Möglichkeiten zur Durchführung des RegelVorganges im Bereich verschiedener Gemischbildner.

In Figur 1 ist die einfachste Ausführungsform eines im Rahmen der erfindungsgemäßen Anordnung zu verwendeten Konverters im Querschnitt dargestellt. Die Abgasströmung 1 durchsetzt den Konverter in der Figur von links nach rechts, so daß der linke Rohrstutzen 2 am Konvertergehäuee 3 niit der nicht darge-

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stellten Brennkraftmaschine abgasseitig verbunden ist. In dem Gehäuse 3 "befindet sich eine an sich "bekannte Katalysatormasse 4, die von den in diesem Ausführungsbeispiel zwei Temperaturfühlern 5 und 6 seitlich, eingeschlossen wird. Diese Temperaturfühler sind beispielsweise Thermoelemente oder Temperaturfühler mit temperaturabhängigem elektrischem Widerstandswert, so daß sich bei einer Reaktion in der Katalysatormasse 4 eine Temperaturdifferenz zwischen den beiden Stellen ergibt, an denen die Temperaturfühler 5 "and- 6 angeordnet sind. Während nämlich der Temperaturfühler 5 infolge seiner Anordnung im Bereich des Strömungseingangs in die Katalysatormasse 4 praktisch durch die Reaktion innerhalb dieser Masse nicht berührt wird, befindet sich der andere Temperaturfühler 6 bezüglich der Abgasströmung ausgangsseitig an der Katalysatormasse 4» so daß er zumindest durch die aufgeheizten Abgase umströmt wird und demgemäß eine höhere Temperatur als der Temperaturfühler 5 anzeigt. Da nun ein Vergleich der mit den beiden Temperaturfühlern ermittelten Temperaturen vorgenommen wird, fallen störende Parameter, beispielsweise der Absolutwert der Abgastemperatur, die Strömungsgeschwindigkeit desselben usw. aus der Messung heraus. Die genannte Temperaturdifferenz ist somit nur abhängig von der Umsetzung in der Katalysatormasse 4· Diese Umsetzung erreicht jedoch ihren größten Wert, wenn der vorgegebene Sollwert des Luftverhältnisses, also in aler Regel \ - 1,0, erreicht wird. Demgemäß erfolgt an dem in dieser Figur nicht dargestellten Gemischbildner unter Ausnutzung der genannten Temperaturdifferenz als Stellgröße eine Regelung auf diesen Sollwert des Luftverhältnisses, d.h. eine Veränderung der Wirkungsweise des Gemischbildners,

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bis infolge voller Umsetzung in der Katalysatormasse 4 die Teinperatu.-'differenz ihren Maximalwert erreicht hat. Zweckmäßigerweise wird man also die Temperaturdifferenz "bzw. den sie wiedergebenden Ausgangswert der Temperaturfühler 5 und 6 nicht unmittelbar als Stellgröße verwenden, sondern eine Invertierung vornehmen, so daß die eigentliche Stellgröße verschwindet, wenn der Maximalwert der Umsetzung in der Katalysatormasse 4 vorliegt.

Betrachtet man nun die Ausführungsform nach Figur 2, so ist dort eine Unterteilung des allgemein mit 20 bezeichneten Konverters in zwei Kammern 21 und 22 hinter der gemeinsamen Katalysatormasse 23 vorgenommen. In diesem Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Trennwand 24 in dem Konvertergehäuse 25 nur bis zur in Strömungsrichtung hinteren AbSchlußfläche der Katalysatormasse 23, jedoch ist es grundsätzlich auch möglich, diese Trennwand durchgehen zu lassen und zwei Teilmassen anstelle der einen Katalysatormasse 25 zu verwenden.

Die Strömungsrichtung der Abgase ist wiederum durch Pfeile 26 angedeutet. Die Abgase durchsetzen also zunächst die Katalysatormasse 23, die relativ klein gehalten sein kann, so daß sie zwecks Erzielung eines schnellen Ansprechens beispielsweise durch eine elektrische Heizwendel 27 aufgeheizt sein kann. Diese Eatalysatormasse hat die Aufgabe, eine definierte Zusammensetzung der in die Kammern 21 und 22 strömenden Abgase zu erzwingen. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß die Abgase in der Katalysatormasse 23 vollständig verbrannt werden, so daß

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die in die Kammern 21 und 22 gelangenden Abgasteilströmungen überhaupt keine oxydierbaren Bestandteile mehr .enthalten. Es ist jedoch auch möglich, im Katalysator die gesamte Sauerstoffmenge im Abgas zu binden, so daß die in die Kammern 21 und 22 gelangenden Abgasteilströmungen frei von Sauerstoff sind, dagegen noch oxydierbare Bestandteile aufweisen.

Das jeweilige Resultat der Wirkung der Katalysatormasse 23 hängt davon ab, ob der Gemischbildner, also beispielsweise der Vergaser, der Brennkraftmaschine fett oder mager, d. h. auf ein Luftverhältnis kleiner oder größer als 1,0, eingestellt ist. In den Fällen, in denen das Luftverhältnis kleiner als 1 ist, enthalten die Abgasteilströmungen in den Kammern 21 und 22 noch oxydierbare Bestandteile, also Kohlen monoxyd oder Köhler ·- -sserstoffe, und eine Reaktion mit weiteren katalytisch aktiven Materialien kann nur dann stattfinden, wenn Sauerstoff zugeführt wird. Dies ist nur bei der Kammer 21 der Fall, der über die Leitung 28 Luft zugeführt wird, während der Kammer 22 über die Leitung 29 Abgas und/oder Kraftstoff zugeleitet wird. Jede dieser Kammern enthält in dem figürlich dargestellten Ausführungsbeispiel zwei Platinwiderstandsthermometer 30 und 31 bzw. 32 und 33» von denen nur die mit 30 und 32 bezeichneten katalytisch aktiv sind. Die anderen Widerstände 31 und sind zweckmäßigerweise mittels eines Katalysatorgiftes, also beispielsweise einlegiertem Phosphor oder Blei, katalytisch inaktiviert.

Die Wirkungsweise dieser Konstruktion besteht nun darin, .daß im Falle einer fetten Einstellung des Gemisch-

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bildners nur das katalytisch aktive Material in der Kammer 21 wirksam wird, also nur dort eine Widerstandserhöhung auftritt, und zwar auch nur an dem katalytisch aktiven Widerstand 30, während bei katalytisch völlig inaktivem Widerstand 51 dort praktisch keine Temperaturerhöhung auftritt. Dagegen liegt in der anderen Kammer kein reaktionsfähiges Abgasgemisch vor, denn diesem Gemisch fehlt der Sauerstoff, der auch der anderen Kammer 22 nicht zugeführt wird.. Umgekehrt führt ein mageres Gemisch, d. h. ein solches mit SauerstoffÜberschuß, zu einer Reaktion nur an dem katalytisch aktiven Material des Widerstandes 52, während die Widerstände 50, 51 und auch 52 - sofern dieser katalytisch völlig inaktiv ist - ihren Widerstandswert beibehalten.

Die vier Temperaturfühler in der Konstruktion nach Figur 2 sind nun gemäß Figur 5 zu einer Brücke elektrisch zusammengeschaltet. An der einen Diagonale dieser Brücke liegt die Batteriespannung U, während an der anderen Diagonale als Stellgröße die Spannung S abgegriffen wird. Dieser Abgriff erfolgt also an Punkten 54 und 55» die in den durch die jeweils in einer der Kammern 21 und 22 angeordneten Temperaturfühler 50, 51 und 52, 55 gebildeten Längszweigen zwischen den katalytisch aktiven Widerständen 50, einerseits und den inaktiven Widerständen 51» 55 liegen.

Figur 4 zeigt die Abhängigkeit der Brückenausgangsspannung und Stellgröße S von den jeweiligen Luftverhält η issen a . Man erkennt, daß die Anordnung eine sehr genaue Einregelung auf den Sollwert des Luftverhältnisses, hier den Wert 1,0, gestattet. Das

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Vorzeichen des Wertes der Spannung S zeigt an, ob die Regelung auf eine Vergrößerung des LuftVerhältnisses oder eine Verkleinerung desselben erfolgen muß. Bur in dem !Falle, in dem das Luftverhältnis genau den Wert 1,0 besitzt, ist die Stellgröße S null.

Figur 5 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, die derjenigen nach Figur 2 im Prinzip entspricht, bei der jedoch Thermoelemente als Temperaturfühler Einsatz finden. Wiederum hat man ein Konvertergehäuse 50, das in Strömungsrichtung der Abgase 51 hinter einer gemeinsamen Katalysatormasse 52 durch die Zwischenwand 53 in zwei Kammern 54 und 55 unterteilt ist. Diese beiden Kammern enthalten wiederum katalytisch aktive Materialien 56 und 57» die jedoch hier nicht mit den Temperaturfühlern zusammengefaßt sind. In jeder Kammer befinden sich in Strömungsrichtung vor und hinter den katalytisch aktiven Materialien und 57 Temperaturfühler 58 und 59 bzw. 60 und 61, die hier als Thermoelemente aufgebaut sind. Diese Temperaturfühler geben somit eine elektrische Spannung ab, die in ihrer Größe ein Maß für die jeweils an der Stelle des Temperaturfühlers vorliegende Temperatur ist. Wiederum wird nur der einen Kammer 54 über die Leitung 62 Luft zugeführt, während nur der anderen Kammer 55 über die Leitung 65 Abgas und/oder Kraftstoff zugeleitet wird.

Die Wirkungsweise der Anordnung ist im Prinzip dieselbe wie diejenige der Anordnung nach Figur 2, denn auch hier treten in Abhängigkeit von dem jeweils vorliegenden Istwert des Luftverhältnisses Temperaturdifferenzen nur in einer der beiden Kammern 54 und auf, nämlich in derjenigen Kammer, in der unter Be-

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rücksichtigung der über die Leitungen 62 und 65 jeweils zugeführten gas- oder dampfförmigen Bestandteile ein reaktionsfähiges Abgasgemisch vorliegt. Schaltet man also gemäß Figur 6 die Thermoelemente 58 bis 61 so zusammen, daß die Differenzen der Thermospannungen der in jeweils einer der Kammern und 55 liegenden Thermoelemente voneinander subtrahiert werden, so erhält man eine Ausgangsspannung S dieser Zusammenschaltung, die in Abhängigkeit vom Luftverhältnis Λ etwa den in Figur 7 dargestellten Verlauf hat. Bei einer fetten Einstellung des Gemischbildners kann nämlich nur das katalytisch aktive Material 56 in der Kammer 54 eine Umsetzung bewirken, so daß lediglich das Thermoelement 59 eine wesentlich erhöhte Spannung abgibt. Im entgegengesetzten Fall tritt eine merkbare Temperaturdifferenz lediglich in der anderen Kammer 55 auf, so daß praktisch nur das Thermoelement 61 eine nennenswert erhöhte Spannung abgibt. Dagegen kompensieren sich die Spannungen aller Thermoelemente, wenn das Luftverhältnis den vorgegebenen Sollwert besitzt.

Figur 8 zeigt die Realisierung der Erfindung hinsichtlich der Regelung des Luftverhältnisses bei einem Vergaser. Die Einzelheiten des allgemein mit 80 bezeichneten Vergasers interessieren hier nicht; es sei nur darauf hingewiesen, daß er die Mischkammer mit der Drosselklappe 82 sowie den Austrittsarm 85 für den über die Leitung 84 zugeführten Kraftstoff besitzt. Erfindungsgemäß ist in den Stutzen 87 vor oder in die Hauptdüse 88' ein Ventil gesetzt, das als wesentlichen Bestandteil die konische Nadel 89 aufweist.

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Diese Nadel 89 ist an ihrem rückwärtigen Ende bei 90 mit einem Gewinde versehen, über das der Stellmotor 91 die Nadel verstellt. Dem Stellmotor 9I wird die Stellgröße S zugeführt, die also hier eine elektrische Spannung darstellt, deren Polarität ein Maß .dafür ist, ob die Einstellung des Vergasers 80 zu fett oder zu mager ist, und deren Amplitude die Größe der Abweichung des Luftverhältnisses λ, von dem Wert 1,0 wiedergibt. ·

Nach dem gleichen Prinzip ist auch eine Beeinflussung von anderen kraftstoff- oder luftführenden Düsen oder Steuerelementen möglich.

Figur 9 schließlich zeigt die Regelung des Luftverhältnisses über, eine Druckregelung im Kraftstoffsystem, wie man sie beispielsweise bei einer Brennkraftmaschine mit mechanischer Kraftstoffeinspritzung anwenden kann. Wiederum ist ein hier nicht dargestellter Stellmotor vorgesehen, der mit der Stellgröße S gespeist ist und entsprechend der Polarität und der Amplitude der Stellgröße gemäß den Pfeilen 92 die Betätigungsstange 93 des Druckreglers verstellt.^vDiese Betätigungsstange trägt den Federteller 94 für die Druckfeder 95» die sich mit ihrem anderen Ende auf dem in die Membran 96 dicht eingesetzten anderen Federteller abstützt. Diesem Federteller 97 steht das Rücklaufrohr 98 für den Kraftstoff aus der Reglerkammer 99 gegenüber; der Kraft-? stoff steht über die Zuführbohrung 100 mit dem eigentlichen Kraftstoff system in Verbindung. Zwischen ,dem anderen Federteller 97 einerseits und der ihm gegenüberstehenden Stirnfläche des Rücklaufrohres'98 andererseits bildet sich ein Spalt aus, der in seiner Größe bestimmt ist durch die axiale Verschiebung des BetätigurigsstoßeIs 93 und damit durch Größe und Amplitude , der Stellgröße S. '

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Grundsätzlich ist es auch möglich, nur jeweils eine Hälfte der in den Figuren 2 und 5 dargestellten Anordnungen vorzusehen, d. h_o jeweils nur eine der beiden Kammern. Man hat dann also die einfache Reihenschaltung einer Katalysatormasse einer Zuführung für Sauerstoff oder aber Abgas und/oder Kraftstoff sowie katalytisch aktiven Materials, dem eingangs- und ausgangsseitig je ein Temperaturfühler zugeordnet ist. Demgemäß ergibt sich eine Kennlinie, die der in Figur 2 "bzw« Figur 5 wiedergegebenen Kennlinie mit dem Unterschied entspricht, daß nur eine Kennlinienhälfte vorhanden ist.

Die Temperaturfühler können auch in zum Konverter gehörenden Rohren angeordnet sein. Ferner kann der Konverter entweder der zur Abgasreinigung ohnehin vorhandene Konverter oder ein kleiner Zusatzkonverter sein, der nur zur Gewinnung der Stellgröße dient.

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Claims

ANSPRÜCHE

1. Anordnung zur Verringerung der Schadstoffanteile V-^ in den Abgasen einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugmotors, die mit Mitteln zur Bildung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs ausgerüstet ist, mit einem katalytischen Konverter, dadurch gekennzeichnet, daß Temperaturfühler (5> 6) im Konverter an zumindest zwei Stellen desselben, die im Betrieb des Konverters unterschiedliche Temperaturen annehmen, angeordnet ■ und ausgangsseitig zusammengefaßt sind zur Bildung eines der von dem Istwert des Luftverhältnisses (J^ ) der Maschine abhängigen Temperaturdifferenz zwischen den Stellen entsprechenden Signals, das als Stellgröße (S) den Mitteln zur Gemischbildung zur Regelung auf einen Sollwert des Luf t verhältnis se s (λ. ) zugeführt wird, bei dem gerade die für den optimalen Betrieb des Konverters erforderliche Säuerstoffmenge in den die Maschine verlassenden Abgasen enthalten ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert des Luftverhältnisses (/\ ) 1,0 ist.

5. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2 für eine Vergaser-Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellgröße (S) dem Verstellmechanismus eines Einstellventils (88, 89) für die Kraftstoffoder Luftzumessung im Vergaser (80) oder Saugrohr zugeführt wird.

4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2 für-eine Brenn-

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kraftmaschine mit Kraftstoffeinspritzung, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellgröße (S) einer die Einspritzdauer bestimmenden Einrichtung zugeführt wird.

5. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2 für eine Brennkraftmaschine mit Kraftstoffeinspritzung, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellgröße fs) einer den Einspritzdruck bestimmenden Einrichtung (Fig. 9) zugeführt wird.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Temperaturfühler (30, 33) mit temperaturabhängigen Werten ihres elektrischen Widerstandes ausgangsseitig über eine Brückenschaltung zusammengefaßt sind und an einer Diagonalen derselben die Stellgröße (S) abgegriffen wird.

7« Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Stellen im Bereich des Abgaseintritts in den Konverter und eine andere Stelle in Richtung derselben Abgasßtrömung (1) dahinter liegt.

8. Anordnung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die andere Stelle im Bereich des Abgasaustritts aus dem Konverter liegt.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Konverter in Eichtung der Abgasströmung (26) hinter einer Katalysatormasse (23) in zwei von Abgasteilströmungen durchströmte parallele Kammern (21, 22) unterteilt ist, die beide katalytisch aktives Material sowie

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diesem zugeordnete, ausgangsseitig zur Bildung der Temperaturdifferenz zwischen den Kammern (21, 22) zusammengefaßte Temperaturfühler (30-53) enthalten und von denen einer Kammer (21) zwischen der Katalysatormasse (23) und dem katalytisch aktiven Material Sauerstoff, dagegen der anderen Kammer (22) zwischen der Katalysatormasse (23) und dem katalytisch aktiven Material Abgas und/oder Kraftstoff zugeführt xiird.

10. Anordnung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß in den Kammern (54» 55) an Stellen im Bereich des Abgaseintritts und des Abgasaustritts am katalytisch aktiven Material (56, 57) je ein Temperaturfühler (58, 59» 60, 61) angeordnet ist.

11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturfühler (58, 59; 60, 61) zur Bildung der Differenz der in den beiden Kammern (54» 55) auftretenden Temperaturdifferenzen zusammengefaßt sind.

12. Anordnung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß in den Kammern (21, 22) jeweils zumindest zwei Temperaturfühler (30, 31» 32", 33) mit temperaturabhängigen Werten ihres elektrischen Widerstandes angeordnet sind, von denen jeweils zumindest einer (30, 32) mit dem katalytisch aktiven Material versehen ist.

13. Anordnung nach den Ansprüchen 6 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß die in jeweils einer Kammer (21, 22) angeordneten Temperaturfühler (3Q-, 315 32, 33) einen iängszweig der Brückenschaltung bil-

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den und die Stellgröße (S) zwischen den mit dem katalytisch aktiven Material versehenen (i>0, 32) und den hiervon freien Temperaturfühlern (31, 33) abgegriffen wird.

14· Anordnung nach Anspruch -12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß alle Temperaturfühler aus. dem gleichen Material bestehen, aber jeweils ein Temperaturfühler (31» 33) je Kammer durch ein Katalysatorgift katalytisch inaktiviert ist.

15· Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Konverter in Richtung der Abgasströmung hinter einer Katalysatormasse (23) Sauerstoff oder aber Abgas und/oder Kraftstoff zugeführt wird und dahinter katalytisch aktives Material sowie diesem zugeordnete Temperaturfühler (30, 31) angeordnet sind.

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