DE2649606A1

DE2649606A1 - Verfahren und vorrichtung zum katalytischen entfernen von schaedlichen bestandteilen aus auspuffgasen einer brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2649606A1
Application number: DE19762649606
Authority: DE
Inventors: Eiji Kawasaki
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1975-11-01
Filing date: 1976-10-29
Publication date: 1977-05-12

Description

Verfahren und Vorrichtung zum
katalytischen Entfernen von schädlichen Bestandteilen aus Auspuffgasen einer Brennkraftmaschine Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum katalytischen Umwandeln von Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxyd und Stickoxyden in Auspuffgasen einer Brennkraftmaschine in unschädliche Substanzen vor der Abgabe an die Atmosphäre. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs und des ersten Vorrichtungsanspruchs.
Es sind verschiedene Verfahren zu einer möglichst weitgehenden Verringerung der Anteile an Kohlenwasserstoffen (HC), Kohlenmonoxyd (CO) und Stickoxyden (NOx) in Auspuffgasen einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen worden. Von diesen Verfahren hat sich die katalytische Umwandlung der schädlichen Bestandteile in dem Auspuffsystem als vielversprechend und praktikabel erwiesen.
Bekannte katalytische Konverter zur Emissionssteuerung, insbesondere im Hinblick auf Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschinen, lassen sich im wesentlichen in zwei Typen unterteilen, nämlich Doppelbettkonverter und Einbettkonverter.
Bei Doppelbettkonvertern werden zwei Arten von Katalysatoren verwendet, nämlich ein Katalysator zur Umwandlung von NOx in einer reduzierenden Atmophäre und ein anderer Katalysator zur Oxydation von HC und CO unter Einführung von Sekundärluft in das Auspuffgas. Im allgemeinen besteht bei Doppelbettkonvertern der Nachteil, daß die Katalysatoren sehr teuer und von geringer Haltbarkeit sind. Bei Einbettkonvertern wird ein Katalysator verwendet, der als "Dreiwege-Katalysator" bezeichnet werden kann und der gleichzeitig die Reduktion von NOx und die Oxydation von HC und CO katalysiert, sofern die Zusammensetzung des Auspuffgases in einem geeigneten Bereich gehalten wird. Die Steuerung der Auspuffgaszusammensetzung kann erreicht werden durch Steuerung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses eines brennbaren Gemisches, das der Maschine zugeführt wird. Die Konversionsrate gibt an, in welchem Prozentsatz NOx, HC und CO, die anfänglich in dem Auspuffgas enthalten waren, umgewandelt worden sind, d.h. reduziert worden sind für NOx, und oxydiert worden sind für HC und CO. Wenn ein Dreiwege-Katalysator als einzige oder wesentliche Einrichtung für die Emissionssteuerung verwendet wird, ist es sehr wesentlich, das Luft-Brennstoff-Verhältnis auf einem vorbestimmten Wert in der Nähe des stöchiometrischen Verhältnisses mit geringfügigen Abweichungen zu halten. Folglich ist es notwendig, die Funktion derjenigen Vorrichtung, die das Luft-Brennstoff-Verhältnis regelt, wie etwa eines Vergasers oder eines Brennstoffeinspritzsystems, mit einer Rückkoppelungssteuerung zu steuern. Es ist bekannt, daß ein Luft-Brennstoff-Verhältnis, das sich in der Brennkraftmaschine ergibt, geschätzt werden kann aus der Konzentration eines bestimmten Bestandteiles des Auspuffgases, wie beispielsweise 02, HC, CO, C02 oder NOx. Es gibt verschiedene Auspuffgassensoren, die ein elektrisches Signal erzeugen, das der abgetasteten Konzentration dieses ausgewählten Bestandteils entspricht, beispielsweise Sauerstoffsensoren in der Form-von Konzentrationszellen mit einem festen Elektrolyten.
Wenn die Vorrichtung zur Herstellung des Luft-Brennstoff-Gemisches ein Vergaser ist, kommt als typische Rückkoppelungssteuerung zur Regelung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses ein elektromagnetisches Ventil in Betracht, das so angeordnet ist, daß es den Strömungsdurchsatz der Luft und/oder des Brennstoffs regelt, und eine arithmetische Operationsschaltung, die dem elektromagnetischen Ventil ein Steuersignal auf der Basis eines Signals des Auspuffgassensors zuführt. Eine Rückkopplungssteuerung dieser Art soll im folgenden als ECC-System (elektronisch gesteuerter Vergaser) bezeichnet werden. Im Falle einer Brennstoffeinspritzung liefert die arithmetische Operationsschaltung ein Steuersignal an eine Antriebsschaltung zur Betätigung eines elektrisch betätigbaren Brennstoff-Einspritzorgans. Ein elektronisches Brennstoff-Einspritzsystem dieser Art soll im folgenden als EFI-System bezeichnet werden. Eine Abweichung des tatsächlichen Luft-Brennstoff-Verhältnisses von dem stöchiometrischen Verhältnis wird zweckmäßig als Luftzahl oder Oberschußluftfaktor} bezeichnet, der definiert ist als Verhältnis eines tatsächlichen Luft-Brennstoff-Verhältnisses zu dem stöchiometrischen Verhältnis. Das Luft-Brennstoff-Verhältnis eines Brennstoffgemisches, das der Maschine zugeführt wird, kann in der Nähe oder auf dem stöchiometrischen Verhältnis , bei dem vX gleich Null ist, mit hoher Präzision durch Verwendung eines ECC-Systems oder EFI-Systems festgehalten werden, wenn die Maschine gleichmäßig oder in normalem Fahrbetrieb läuft, so daß ein nahezu unveränderlich zusammengesetztes Auspuffgas entsteht. In Übergangs zuständen, wie etwa bei der Beschleunigung oder Verzögerung, ist es jedoch praktisch nicht möglich, den Überschußluftfaktor beispielsweise exakt auf 1,0 zu halten, da die Zusammensetzung des Auspuffgases raschen und erheblichen Änderungen mit einer Änderung der Last der Brennkraftmaschine unterliegt. Selbst bei einer sehr präzisen Steuerung mit Hilfe eines ECC-Systems ändert sich das Luft-Brennstoff-Verhältnis unvermeidlich in zyklischer Weise zu beiden Seiten des stöchiometrischen Verhältnisses innerhalb eines Bereiches von { x von etwa 0,95 bis etwa 1,10. Im allgemeinen ist die Präzision der Steuerung etwas besser bei einem EFI-System, jedoch ist auch hier eine zyklische Fluktuation des Wertes Dk von etwa 0,97 bis etwa 1,05 unvermeidlich. Außerdem ändert sich die Durchschnittsperiode des Fluktuationszyklus erheblich in Abhängigkeit von verschiedenen Faktoren, wie etwa dem Betriebszustand der Maschine und die Ansprechzeit des Auspuffgassensors und des elektromagnetischen Ventils des Steuersystems.
Das Luft-Brennstoff-Verhältnis ändert sich außerdem in bestimmtem Maße durch den Einfluß verschiedener Faktoren unabhängig von dem ECC- oder dem EFI-System, wie etwa dem Atmosphärendruck, der Umgebungstemperatur und der Brennstofftemperatur, da die physikalischen Eigenschaften, wie etwa das spezifische Gewicht und die Viskosität von Luft und Brennstoff von diesen Faktoren abhängen.
Aus den oben angegebenen Gründen ist bisher eine Kombination des ECC- oder EFI-Systems mit einem Drei-Wege-Katalysator in der Praxis insoweit nicht vollständig erfolgreich gewesen, als es darum ging, mehr als 80 % des Anteils von HC, CO und NOx aus den Auspuffgasen einer Brennkraftmaschine zu entfernen.
Die Anmelderin hat eine Reihe von Untersuchungen über die Fähigkeit eines Dreiwege-Katalysators unter der Voraussetzung durchgeführt, daß der Überschußluftfaktor r'\~ eines brennbaren Gemisches, das einer Brennkraftmaschine zugeführt wurde, unvermeidlich einer zyklischen Änderung innerhalb des Bereiches von 0,95 bis 1,10 unterliegt und eine Aufrechterhaltung auf 1,0 beabsichtigt ist. Es hat sich gezeigt, daß der Dreiwege-Katalysator eine Zusammensetzung innerhalb eines spezifischen Bereiches haben sollte, wenn gleichzeitig HC, CO und NOx mit individuellen Umwandlungsratem von über 80 % umgewandelt werden sollen.
tls hat sich weiterhin ergeben, daß das Luft-Brennstoff-Verhältnis vorzugsweise so gesteuert wird, daß das Maximum der Periode von JK entweder oberhalb oder unterhalb von 1,0 einer spezifischen Länge liegt.
Bekannte Dreiwege-Katalysatoren umfassen Platin und Rhodium als Katalysatorkomponenten, und der Anteil von Rhodium zu Platin ist in weitem Umfange angegeben worden. Beispielsweise wird in der veröffentlichten japanischen Patentanmeldung Nr. 48 (1973) - 63893 ausgeführt, daß das Verhältnis von Rhodium zu Platin bei bis zu 20 Gew.. -% liegen soll. Die Anmelderin hat festgestellt, daß ein derartig weiter Zusammensetzungsbereich des Dreiwege-Katalysators zu viele Zusammensetzungen einschließt, die in der Praxis ungeeignet zur Erzielung einer Auspuffgasregelung bestimmter Qualität sind.
Die Erfingung ist darauf gerichtet, ein Verfahren zum wirksamen und gleichzeitigen Entfernen von HC, CO und NOx aus dem Auspuffgas einer Brennkraftmaschine unter Verwendung eines Dreiwege-Katalysators zu schaffen, der gleichzeitig die Reduktion von NOx und die Oxydation von HC und CO katalysiert.
Weiterhin soll erfindungsgemäß eine Vorrichtung für eine Brennkraftmaschine geschaffen werden, die eine Rückkopplungssteuerung zur Aufrechterhaltung des Überschußluftfaktors eines der Brennkraftmaschine zugeführten Gemisches innerhalb eines spezifischen Bereiches und einen katalytischen Konverter mit einem Dreiwege-Katalysator umfaßt und ein wirksames Entfernen von HC, CO und NOx vor der Abgabe der Auspuffgase an die Atmosphäre gewährleistet.
Die Erfindung ergibt sich im einzelnen aus dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs und des ersten Vorrichtungsanspruchs.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum gleichzeitigen Entfernen von NOx, HC und CO aus dem Auspuffgas umfaßt folgende Schritte: Der Überschußluftfaktor eines Gemisches aus Luft und einem Kohlenwasserstoff-Brennstoff, das der Brennkraftmaschine zugeführt wird, wird innerhalb eines Bereiches von o,95 bis 1,10 gehalten, und das Auspuffgas wird bei Temperaturen zwischen 250 und 8500 C mit einem Katalysator in Berührung gebracht, der im wesentlichen aus o,o7 bis o,14 Gew.-% Platin, o,oo4 bis o,o35 Gew.-% Rhodium und im übrigen aus einem granulatförmigen Träger aus einem hitzebeständigen Material der Gruppe Aluminiumoxid, Siliciumoxid und Aluminiumsilikat besteht.
Der Überschußluftfaktor wird vorzugsweise derart gesteuert, daß er eine periodische Änderung um 1,o herum innerhalb des oben angegebenen Bereiches erfährt, sofern er nicht konstant 1,o ist, und daß die Periode des Halbzyklus der Fluktuation, in welchem Halbzyklus der Überschußluftfaktor entweder oberhalb oder unterhalb 1,o bleibt, im Bereich von o,2 bis o,5 sec. liegt. Das Gesamtvolumen des Katalysators liegt vorzugsweise im Bereich von 80 bis 150 % des Hubraumes der Brennkraftmaschine.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt eine Brennkraftmaschine, eine elektrisch gesteuerte Dosiereinrichtung für Luft und Brennstoff, die so aufgebaut und eingestellt ist, daß sie ein Gemisch aus Luft und einem Kohlenwasserstoff-Brennstoff der Maschine zuführt, einen katalytischen Konverter, der ein Teil der Auspuffleitung der Brennkraftmaschine darstellt und im Innern den oben angegebenen Katalysator enthält, und eine Rückkopplungssteuerung zur Regelung des Betriebs der Dosiereinrichtung in der Weise, daß der Überschußluftfaktor innerhalb des angegebenen Bereichs gehalten wird. Die Rückkopplungssteuerung umfaßt im einzelnen einen Auspuffgassensor in der Auspuffleitung in einem Bereich stromaufwärts des katalytischen Konverters zur Erzeugung eines elektrischen Signals, das der Konzentration eines Bestandteiles des Auspuffgases entspricht, welche Konzentration abhängig ist von dem Überschußluftfaktor des Gemisches aus Luft und Kohlenwasserstoff-Brennstoff, und eine elektronische Steuerschaltung zur Erzeugung eines Steuersignals entsprechend dem elektrischen Signal des Auspuffgassensors.
Wenn die Dosiereinrichtung für das Luft-Brennstoff-Gemisch ein Vergaser ist, umfaßt die Rückkopplungskontrolle wenigstens ein-elektromagnetisches Ventil zur Steuerung des Luftstromes durch eine Luftdüse des Vergasers und/oder des Brennstoffstromes durch einen Brennstoffkanal des Vergasers, und das Steuersignal beeinflußt die Arbeitsweise des elektromagnetischen Ventils. Alternativ kann die Dosiereinrichtung für das Luft-Brennstoff-Gemisch eim elektrisch gesteuerte Einspritzeinrichtung sein.
Das Steuersignal ist vorzugsweise ein Impulssignal mit veränderlicher Impulsdauer, die durch Modulation eines oszillierenden Signals entsprechend einem Primär-Steuersignal erzeugt wird, das sich durch Integration und/oder Multiplikation des Ausgangssignals des Auspuffgassensors, etwa eines Sauerstoffsensors in Konzentrationszellen-Bauweise ergibt.
Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem ECC-System und einem katalytischen Konverter; Fig. 2 ist ein Blockdiagramm der elektronischen Steuerschaltung für das ECC-System in Figur 1; Fig. 3 zeigt fünf Diagramme zur Veranschaulichung der Wellenform des Ausgangssignals des Auspuffsensors des ECC-Systems der Figur 1, des Ausgangssignals von drei Unterschaltungen der elektronischen Steuerschaltung der Figur 2 und des Ausgangssignals der Steuerschaltung; Fig. 4 ist ein Schaltdiagramm der Steuerschaltung der Figur 2; Fig. 5 - Fig. 8 sind Diagramme zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen der Arbeitsweise des ECC-Systems und der Zusammensetzung und Menge des Dreiwege-Katalysators in dem Konverter der Figur 1; Fig. 9 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen dem Hubraum der Brennkraftmaschine und der optimalen Menge des Katalysators in dem Konverter der Figur 1; Fig. 1o zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung der Abhängigkeit der Wirkung des Dreiwege-Katalysators von der Zusammensetzung des Katalysators bei Verwendung in Zusammenhang mit der Vorrichtung der Figur 1; Fig. 11 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung des Änderungsgrades des Überschlußluftfaktors bei dem ECC-System der Figur 1 im Vergleich mit einem Vergaser ohne äußeres Steuersystem für das Luft-Brennstoff-Verhältnis; Fig. 12 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit EFI-System und einem katalytischen Konverter; Fig. 13 ist ein Blockdiagramm der elektronischen Steuerschaltung des EFI-Systems der Figur 12; Fig. 14 ist ein Blockdiagramm einer arithmetischen Operationsschaltung als Teil der Steuerschaltung der Figur 13; Fig. 15 zeigt drei Diagramme zur Veranschaulichung der Wellenform des Ausgangssignals eines Luftansaugsensors des EFI-Systems, des Ausgangssignals einer Unterschaltung der Operationsschaltung und des Ausgangssignals der Operationsschaltung; Fig. 16 ist ein Diagramm zur Darstellung des Fluktuationsgrades des Überschußluftfaktors des EFI-Systems der Figur 12; Fig. 17 - Fig. 20 sind Diagramme zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen der Wirkungsweise des EFI-Systems und der Zusammensetzung und Menqe des Katalysators in dem Konverter der Figur 12; Fig. 21 ist ein Diagramm zur Darstellung der Beziehung zwischen dem Hubraum der Brennkraftmaschine und der optimalen Menge des Katalysators in dem Konverter der Figur 12; Fig. 22 zeigt in einem Diagramm die Abhängigkeit der Wirkung des Dreiwege-Katalysators von der Zusammensetzung des Katalysators bei Verwendung in Zusammenhang mit der Vorrichtung der Figur 12.
Die in Figur 1 gezeigte Brennkraftmaschine 10 ist mit einem Vergaser 12 ausgerüstet, der ein brennbares Gemisch aus Luft und einem Kohlenwasserstoff-Brennstoff wie etwa Benzin erzeugt, wie es allgemein üblich ist. Ein katalytischer Konverter 16, der einen Dreiwege- oder Dreifach-Katalysator enthält, nimmt einen Mittelbereich eines Auspuffrohres 14 der Brennkraftmaschine 10 ein. Ein Sauerstoffsensor 18 in Konzentrationszellen-Bauweise dient als Beispiel eines Auspuffgassensors zum Abtasten der Konzentration eines bestimmten Bestandteils des Auspuffgases der Brennkraftmaschine 10. Diese Konzentration hängt ab von dem Überschußluftfaktor ,\ des brennbaren Gemisches, das in der Maschine 10 verbrannt wird. Der Sauerstoffsensor 18 ist in dem Auspuffrohr 14 in einem Bereich stromaufwärts des katalytischen Konverters 16 angebracht. Eine elektronische Rückkopplungssteuerung oder Steuerschaltung 20 eines ECC-Systems zur Aufrechterhaltung des Überschußluftfaktors \ auf einem bestimmten Wert nimmt das Ausgangssignal des Sauerstoffsensors 18 auf und erzeugt ein Steuersignal auf der Basis dieses Signals, das wiederum ein elektromagnetisches Ventil 22 betätigt. In dem dargestellten ECC-System steuert das elektromagnetische Ventil 22 entweder den Durchsatz der Brennstoffzufuhr oder denjenigen der dem Brennstoff zugesetzten Luft in dem Vergaser 12, so daß der Überschußluftfaktor es des brennbaren Gemisches des Vergasers 12 geregelt wird. Im Falle der Steuerung der Luftzufuhr steuert das elektromagnetische Ventil 22 vorzugsweise den Eintritt von Luft durch eine Hilfsluftdüse, die von der üblichen Hauptluftdüse abzweigt.
In einem bevorzugten Beispiel besteht die Steuerschaltung 20 des ECC-Systems aus verschiedenen Untersnhaltungen, wie es in Figur 2 gezeigt ist. Eine Abweichungs-Abtastschaltung 24 nimmt das Ausgangssignal E des Sauerstoffsensors 18 auf und erzeugt ein Ausgangssignal D, das einerAbweichung der Amplitude des Eingangssignals E von einer vorgegebenen Amplitude oder einer Vergleichs spannung M entspricht. Das Ausgangssignal D der Abtastschaltung 20 gelangt an eine Steuersignalschaltung26, die ein Steuersignal C durch Integration oder Multiplikation des Signals D erzeugt oder alternativ sowohl eine Integration als auch eine Multiplikation durchführt und sodann die Ergebnisse addiert. Eine Modulationsschaltung 28 nimmt das Steuersignal C und das Ausgangssignal in-einer Oszillationsschaltung 30 auf, die kontinuierlich ein definiertes Signal wie etwa ein Dreieckwellensignal S abgibt und ein Impulssignal P durch Modulation des Dreieckwellensignals S entsprechend dem Steuersignal C erzeugt. Eine Erregerschaltung 32 nimmt das Impulssignal P auf und verstärkt dieses und betätigt das elektromagnetische Ventil 22 mit dem verstärkten Impulssignal P'.
Eine Temperatur-Kompensationsschaltung 34 ist in Verbindung mit der Abtastschaltung 24 vorgesehen und ändert die Vergleichsspannung M beispielsweise in Abhängigkeit von der Maschinentemperatur. Das Ausgangssignal D der Abweichungs-Abtastschaltung 24 gelangt an eine Monitorschaltung 36, die das Auftreten einer Fluktuation des Ausgangssignals D der Abtastschaltung 24 und folglich die Funktionsart des ECC-Systems anzeigt. Eine Leerlauf-Kompensationsschaltung 38 dient zur Änderung der Ausgangssignale der Steuersignalschaltung 26, wenn die Brennkraftmaschine 10 im Leerlauf läuft.
Gemäß Figur 3 weist das Ausgangssignal des Sauerstoffsensors 18 eine Wellenform gemäß der Darstellung a auf, wenn der Überschußluftfaktor #\ des brennbaren Gemisches und damit Sauerstoffkonzentration in dem Auspuffgas periodisch geändert wird. Wenn die Abweichungs-Abtastschaltung 24 im wesentlichen ein Komparator ist, weist das Ausgangssignal D, das sich durch die Änderung des Eingangssignals E gemäß Figur a ergibt, in bezug auf die Vergleichs spannung M die Form eines Impulssignals gemäß der Darstellung b auf.
Dieses Impulssignal D weist eine konstante Amplitude und eine veränderliche Dauer auf, und die Impulsdauer hängt ab von der Länger der Zeit, während der das Ausgangssignal E des Sauerstoffsensors 18 eine größere Amplitude als die Vergleichsspannung M besitzt. Wenn die Steuersignalschaltung 26 eine Integration, Multiplikation und Addition der Ergebnisse durchführt, weist das Steuersignal C, das dem Impulssignal D der Darstellung b entspricht, eine Wellenform gemäß c auf.
Dieses Steuersignal C weist eine Integralkomponente C1 und eine Proportionalkomponente C2 auf. Die Gradienten CC und der Integralkomponente C1 und die Höhe r der Proportionalkomponente C2 ändern sich durch das Ausgangssignal der Leerlauf-Kompensationsschaltung 38: Die Gradienten Clt und und die Höhe T werden verringert, wenn die Brennkraftmaschine 10 im Leerlauf läuft. In der Darstellung d ist die Wellenform des Steuersignals C in vergrößertem Maßstab zusammen mit der Wellenform der Dreieckwelle S gezeigt, die durch die Oszillationsschaltung 30 zugeführt wird. Die Modulationsschaltung 28 erzeugt ein Impulssignal P, das eine konstante Amplitude und eine veränderliche Dauer aufweist, wie es unter e gezeigt ist, und das erzeugt wird durch Modulation der Dreieckwelle S entsprechend dem Steuersignal C, wie sich aus einem Vergleich der Darstellungen d und e ergibt.
Der Vergaser 12 und das elektromagnetische Ventil 22 sind beispielsweise so aufgebaut und angeordnet, daß das elektromagnetische Ventil 22 eingeschaltet oder offen bleibt und beispielsweise eine Vergrößerung des Zufuhrdurchsatzes der Luft durch die Hilfsluftdüse in den Brennstoff in dem Vergaser 12 bewirkt, während jeder aer verstärkten Impulse P' dem elektromagnetischen Ventil 22 zugeführt wird. Andererseits bleibt das elektromagnetische Ventil 22 ausgeschaltet oder geschlossen und der erwähnte Zufuhrdurchsatz der Luft wird verringert, wenn die Impulse P' fehlen. Alternativ kann das elektromagnetische Ventil 22 so aufgebaut sein, daß es den Brennstoffstrom durch einen Brennstoffkanal in dem Vergaser 12 steuert.
Der genaue Schaltungsaufbau der elektronischen Steuerschaltung 20 ist in einem Beispiel in Figur 4 gezeigt.
Die Abweichungs-Abtastschaltung 24 umfaßt einen Widerstand 40 zur Bildung einer Ausgangsspannung E entsprechend dem Ausgangssignal des Sauerstoffsensors 18, einen Operationsverstärker 42, der das Ausgangssignal D erzeugt, das der Abweichung des Signals E von der Vergleichs spannung M entspricht, und einen Differenzverstärker, der aus drei Widerständen 44, 46 und 48 besteht. Die Abtastschaltung 24 umfaßt zwei Dioden 50, 52, die eine Schaltung zum Schutz des Differenzverstärkers gegen Stoß spannungen und andere Störspannungen bilden, und eine Begrenzungsschaltung, die aus einer Konstantspannungsschaltung besteht, die einen Widerstand 54 und eine Zener-Diode 56, zwei Dioden 58, 60, drei Widerstände 62, 64, 66 und einem Transistor 68 umfaßt.
Die Begrenzungsschaltung verhindert, daß die Ausgang~;uannung des Differenzverstärkers eine vorbestimmte Spannung schreitet.
Die Temperatur-Kompensationsschaltung 34 weist einen Thermistor 70 auf, der seinen Widerstand entsprechend der Maschinentemperatur ändert, sowie vier Widerstände 72, 74, 76, 78, eine Diode 80 und einen Transistor 82. Eine änderung des Widerstandes des Thermistors 70 bewirkt eine linderung der vorbestimmten Spannung für den Differenzverstärker in der Abtastschaltung 24. Diese Kompensationsschaltung 34 dient zur zeitweiligen Absenkung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses bei kalter Brennkraftmaschine 10, beispielsweise beim Kaltstart.
Die Monitorschaltung 36 weist eine licht-emittierende Diode 84 mit einem Widerstand 86, einem Transistor 88 und einem Widerstand 90 auf. Die Funktion der licht-emittierenden Diode 84 wird gesteuert durch die Amplitude des Ausgangssignals C der Abweichungs-Abtastschaltung 24, das an den Transistor 88 abgegeben wird.
Die Steuersignalschaltung 26 umfaßt eine Integrationsschaltung und eine Multiplikationsschaltung. Die Integrationsschaltung umfaßt eine Verzögerungsschaltung aus vier Widerständen 92, 94, 96, 98, zwei Dioden 100, 102, und einem Kondensator 103, der mit der Ausgangsspannung C der Abweichungs-Abtastschaltung 24 geladen wird, sowie eine Klemmschaltung aus vier Widerständen 104, 106, 108, 110 und vier Dioden 112, 114, 116, 148. Die Klemmschaltung klemmt und überträgt Maximal- und Minimalwerte des Ausgangssignals der Verzögerungsschaltung. Die Integrationsschaltung weist weiterhin eine Impedanzumformerschaltung auf, die aus einem Operationsverstärker 120, der ein Ausgangssignal durch Impedanzumformung des Ausgangssignals der Klemmschaltung, und einem Widerstand 122 besteht. Die Multiplikationsschaltung umfaßt einen Widerstand 124, der eine Spannung proportional zu der Ausgangs spannung D der Abweichungs-Abtastschaltung 24 erzeugt.
Die Leerlauf-Kompensationsschaltung 38 umfaßt zwei Transistoren 126, 128, einen Widerstand 130, zwei Dioden 132, 134 und einen Leerlaufschalter 136, der nur eingeschaltet wird, wenn die Brennkraftmaschine 10 im Leerlauf läuft.
Wenn der Leerlaufschalter 136 geschlossen ist, bewirkt das Ausgangssignal der Kompensationsschaltung 38 eine Vergrößerung der Integrationszeitkonstanten der oben beschriebenen Integrationsschaltung, so daß eine Instabilität der gesteuerten Funktion des Vergasers 12 bei sehr langsamen Maschinendrehzahlen vermieden wird.
Die Oszillationsschaltung 30 zur Erzeugung des Dreieckwellensignals S weist acht Widerstände 138 bis 152, zwei Dioden 154, 156, einen Kondensator 158, zwei Transistoren 160, 162 und einen Operationsverstärker 164 auf.
Die Modulationsschaltung 28 umfaßt einen Operationsverstärker 166.
Die Erregerschaltung 32 zur Betätigung des elektromagnetischen Ventils 22 ist eine Verstärkerschaltung für das Impulssignal P der Modulationsschaltung 28, die aus zwei Widerständen 168, 170, zwei Transistoren 172, 174, einer Zener-Diode 176 und einer Diode 178 besteht. Das elektromagnetische Ventil 22 weist eine Magnetspule 22 a auf, die durch die Impulse P' der Erregerschaltung 32 erregt werden kann.
Eine positive Spannung Vcc wird an die Steuerschaltung 20 von einer nicht gezeigten Gleichstromquelle über eine Diode 180 zugeführt, die die Schaltung 20 gegen ein Zusammenbrechen in dem Falle schützt, daß die Stromquelle mit der Schaltung 20 mit umgekehrter Polarität verbunden wird. Die Steuerschaltung 20 ist ebenfalls gegen Stoßspannunqen durch einen Varistor 182 geschützt. Wenn der Vergaser 12 und das oben beschriebene ECC-System so eingestellt werden, daß der (überschußluftfaktor > des brennbaren Gemisches bei 1,0 liegt, wird die Schwankung des tatsächlichen Wertes von üblicherweise durch die H#uf1gkeitsverteilungskurve A der Figur 11 wiedergegeben. Diese Kurve A weist eine bestimmte Spitze A 1 an dem vorgegebenen Punkt (1,0) des Wertes auf, und die Häufigkeit dieses Punktes 7 15 % der gesamten Betriebszeit der Maschine. Zum Vergleich zeigt die Häufigkeitsverteilungskurve B der Figur 11 eine typische Änderung des Wertes N bei einem herkömmlichen Vergaser, der so genau wie möglich eingestellt, jedoch nicht mit dem ECC-System versehen ist. In diesem Falle weist die Kurve B die höchste Spitze B1 an einem Punkt auf, bei dem N etwa 0,99 beträgt (A = 0,01) , und außerdem liegt eine weitere bemerkenswerte Spitze B2 bei einem Punkt, an dem etwa 1,02 beträgt. Die Häufigkeit des vorgegebenen Wertes 1,0 von N beträgt nur etwa 4,5 % (bei P3) der gesamten Betriebszeit, während die Häufigkenten der abweichenden Spitzen P1 und P2 etwa 19 % undetwa 8 % betragen.
Die Verwendung des ECC-Systems führt nicht zu einer Verengung des Streubereiches (von etwa 0,95 bis etwa 1,07) des Wertes jedoch dazu, daß bei oder nicht bei dem vorgegebenen Wert mit einer merklich gesteigerten Häufigkeit oder im wesentlichen Teil der Betriebszeit gehalten wird.
Ein Dreiwege-Katalysator gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt einen körnigen Träger mit o,o7 - o,14 Gew.-t des Katalysators Platin und o,oo4 - o,o35 Gew.-% Rhodium. Der Träger ist ein hitzebeständiges Material wie Aluminiumoxid, Silicium-Dioxid oder ein Aluminium-Silicium-Dioxyd-Material (Aluminium-Silikat) und weist vorzugsweise eine mittlere Teilchengröße innerhalb des Bereiches von 1,5 - 3,5 mm auf. Der Katalysator ist über eine ausreichend lange Zeit wirksam, wenn er in einem Temperaturbereich von 250 - 850 ° C verwendet wird. Die Temperatur in dem katalytischen Konverter 16 kann in diesem Bereich durch bekannte Verfahren gehalten werden, zu denen die Verwendung von Einrichtungen gehört, die die Auspuffgase zeitweilig den Konverter 16 passieren lassen, wenn sie eine zu hohe Temperatur aufweisen. Im Auspuffgas einer Brennkraftmaschine kann ein derartiger Dreiwege-Katalysator am wirksamsten arbeiten, wenn der Überschußluftfaktor A des der Maschine zugeführten brennbaren Gemisches bei 1,o gehalten wird. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist der Einfluß der Größe einer Abweichung bei einem absoluten Wert von von 1,o auf die Wirksamkeit dieses Katalysators untersucht worden und es ist der Einfluß der Länge r einer Zeit geprüft worden, während der a entweder oberhalb oder unterhalb 1,o bei einer zyklischen Änderung von#m 1,o herum verbleibt. Mit T wird folglich die Zeit eines halben Zyklus der zyklischen Änderung bezeichnet.
Figur 5 zeigt das Ergebnis einer Untersuchung bei einem herkömmlichen Benzinmotor mit einem Hubraum von 2 1. Die Brennkraftmaschine, die im folgenden als Maschine A bezeichnet werden soll, befand sich auf dem niedrigsten Niveau der Konzentration von NOx, HC und CO in den Auspuffgasen, das bei herkömmlichen Maschinen anzutreffen ist. Der Überschußfaktor a wurde gezielt und periodisch um 1,o herum hinsichtlich der Größe der Abweichung und uns des Zeitraumes r geändert. Ein Dreiwege-Katalysator (Katalysator A) aus o,o7 Gew.-% Platin, o,oo4 Gew.-% Rhodium und einem Rest aus einem körnigen Aluminiumoxid-Trägermaterial wurde verwendet. Die Kurve I zeigt die zulässigen Maximalwerte der Größe in A in absoluten Werten und die halbe Zyklusperiode t der Abweichung von ffi von 1,o, wobei 1,4 1 des Katalysators A in enggepackter Anordnung in dem Konverter 16 NOx, HC und CO mit einer Umwandlungsrate von wenigstens 80 % umwandeln. Die Kurven II, III, IV und V veranschaulichen denselben Sachverhalt für diejenigen Fälle, bei denen die Menge des Katalysators A 1,6, 2,4, 3,o und 4,o 1 beträgt. Die Kurve L1 veranschaulicht die Beziehung zwischen T und tt zt , die realisierbar ist, wenn das oben beschriebene ECC-System bei der praktischen Anwendung mit seiner größten Genauigkeit arbeitet. Die Kurve L2 zeigt dieselbe Beziehung, die realisierbar ist, wenn das ECC-System am ungünstigsten arbeitet.
Wie aus einem Vergleich der Kurven L1 und L2 hervorgeht, ist es praktisch nicht möglich, alle drei Stoffe NOx, HC und CO mit einer Umwandlungsrate von wenigstens 80 % umzuwandeln, wenn die Menge des Katalysators A weniger als 1,4 1 beträgt. Selbst wenn das ECC-System seine beste Wirksamkeit aufweist, ist es notwendig, wenigstens 1,5 1 des Katalysators A zu verwenden. Die Verwendung von 3 1 des Katalysators A oder größererMengen geht jedoch offensichtlich über das notwendige Maß hinaus und ist daher unwirtschaftlich.
Figur 6 zeigt das Ergebnis desselben Experiments bei einer anderen Brennkraftmaschine B mit 2 1 Hubraum. Die Maschine B wies das höchste Niveau der Konzentration von NOx, HC und CO in dem Auspuffgas auf, das bei herkömmlichen Maschinen gefunden wurde.
Für die Maschine B ist es notwendig, wenigstens 3 1 des Katalysators A für eine zufriedenstellende Abgassteuerung zu verwenden, und zwar auch dann, wenn die Maschine B mit dem ECC-System ausgerüstet ist.
Die Notwendigkeit der Verwendung einer großen Katalysatormenge ist unpraktisch für die Konstruktion des Auspuff systems. Gelegentlich ist es nicht realisierbar, eine erforderliche Katalysatormenge in einem Konverter unterzubringen.
Die oben beschriebenen Experimente wurden unter Verwendung eines anderen Dreiwege-Katalysators B wiederholt, der Platin und Rhodium in größeren Mengen enthielt.
Der Katalysator B besteht aus o,14 Gew.-% Platin, o,o35 Gew.-% Rhodium und im übrigen aus dem Aluminiumoxid-Trägermaterial des Katalysators A.
Figur 7 zeigt das Ergebnis für die Maschine A und entspricht Figur 5.
Figur 8 bezieht sich auf die Maschine B und entspricht Figur 6.
Aufgrund der verstärkten katalytischen Wirksamkeit des Katalysators B können sowohl NOx, als auch HC und CO in den Auspuffgasen der Brennkraftmaschine B zu wenigstens 80 % unter Verwendung von wenigstens 2,5 1 des Katalysators B umgewandelt werden.
Eine Reihe von Versuchen wurde durchgeführt zur Überprüfung einer allgemeinen Beziehung zwischen dem Hubraum der Brennkraftmaschine und einer notwendigen Menge eines Dreiwege-Katalysators. Jede bei diesen Versuchen verwendete Brennkraftmaschine wurde mit dem ECC-System versehen und so betrieben, daß ein Zyklus des folgenden Musters nacheinander 1omal wiederholt wurde: Zunächst lief die Maschine 1o Sekunden im Leerlauf, sodann wurde in 15 Sekunden auf 40 km/h beschleunigt, 1o Sekunden lang wurde ein Fahrbetrieb von 40 km/h eingestellt, sodann wurde in 15 Sekunden auf Leerlauf verzögert, und anschließend lief die Maschine 1o Sekunden im Leerlauf.
Die Maschine wies beide Katalysatoren, den Katalysator A (geringe Konzentration von Verunreinigungen in dem Auspuffgas) und den Katalysator B (hohe Konzentration) auf. Drei unterschiedlich zusammengesetzte Katalysatoren wurden verwendet: Der Katalysator A, der Katalysator B und ein weiterer Katalysator C, der sich von den Katalysatoren A und B dadurch unterschied, daß er o,o85 Gew. % Platin und o,o14 Gew.-% Rhodium enthielt.
Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sind in Figur 9 wiedergegeben.
In Figur 9 beziehen sich schwarze Kreise, weiße Kreise und weiße Quadrate auf die Katalysatoren A, B und C, und die Buchstaben A und B beziehen sich auf den Maschinentyp. Jeder Kreis oder jedes Quadrat geben die notwendige Menge des Katalysators zum Umwandeln der drei Bestandteile NOx, HC und CO mit zumindest 80 % für jede der Maschinen an. Figur 9 zeigt, daß ein Dreiwege-Katalysator im Allgemeinen in einem Volumen verwendet werden sollte, das 80 -150 % des Hubraumes der Maschine entspricht. Die Linien F1 und F2 geben 80 und 150 % des Hubraumes wider.
Figur 1o zeigt Änderungen der Umwandlungsraten für NOx und HC bei einem Dreiwege-Katalysator der oben beschriebenen Art bei Änderungen des Platin- und Rhodium-Gehalts, die sich ergeben, wenn eine Brennkraftmaschine B mit 2 1 Hubraum, die mit dem ECC-System und 1,6 1, das heißt 80 % des Hubraums eines Katalysators in der oben beschriebenen Weise wiederholt zwischen Leerlauf, Beschleunigung auf 40 km/h, Fahrbetrieb, Verzögerung und Leerlauf betrieben wird. Die Umwandlungsrate von NOx hängt ab von dem Rhodium-Gehalt des Katalysators und steigt mit diesem. Die Umwandlungsrate von HC und ebenso von CO steigt mit dem Platin-Gehalt. Wie aus Figur 1o hervorgeht, sollte der Rhodium-Gehalt des Katalysators wenigstens o,oo4 Gew.-% betragen, wenn eine Umwandlungsrate für NOx von 80 % gewährleistet werden soll. Es läßt sich jedoch keine Steigerung der Umwandlungsrate von NOx erzielen, wenn der Rhodium-Gehalt über o,o35 Gew.-% hinaus erhöht wird. Unter weiterer Berücksichtigung des hohen Preises von Rhodium liegt ein bevorzugter Bereich des Rhodium-Gehalts des Dreiwege-Katalysators zwischen o,oo4 und o,o35 Gew.-% des Katalysators.
Der Platin-Gehalt sollte bei wenigstens o,o7 Gew.-% liegen, damit eine Umwandlung des HC bis zu wenigstens 80 % erreicht wird. Im Hinblick auf die Tatsache, daß die Umwandlungsrate für HC bei einem Platin-Gehalt von o,14 Gew.-% im wesentlichen einen Maximalwert erreicht, ist es vernünftig und wirtschaftlich, die obere Grenze des Platin-Gehalts bei diesem Wert von o,14 Gew.-% festzulegen.
Bei einer besseren Maschine als der Maschine A kann eine Umwandlungsrate von 80 % und darüber für NOx, HC und CO auch dann erzielt werden, wenn ein geringerer Rhodium- und/oder Platin-Gehalt verwendet wird. Aus der vorangegangenen Beschreibung geht hervor, daß die Umwandlung von NOx, HC und CO in größerem Maße erfolgen kann, wenn die Menge des Dreiwege-Katalysators und der Rhodium- und Platin-Anteile erhöht wird. Der Rhodium-und Platin-Gehalt sollte jeweils innerhalb der oben angegebenen Bereiche liegen, so daß die Gesamtmenge von Rhodium und Platin, die für eine Brennkraftmaschine benötigt wird, möglichst gering ist.
Gemäß Figur 12 ist die Brennkraftmaschine 1o mit einem EFI-System versehen. Bei diesem System wird das brennbare Gemisch durch Einspritzen von Brennstoff durch eine elektrisch gesteuerte Einspritzvorrichtung 190 in Luft erzeugt,die durch ein Ansaugrohr 13 strömt. Das EFI-System umfaßt den Sauerstoffsensor 18 als Beispiel für einen Abgassensor, eine Steuerschaltung 192 zur Erzeugung eines Steuersignals entsprechend dem Ausgangssignal des Sensors 18 und eine arithmetische Operationsschaltung 194, die ein Ausgangssignal zur Steuerung der Arbeitsweise der Einspritzvorrichtung 190 auf der Basis des Ausgangssignals der Steuerschaltung 192 und verschiedener anderer Signale erzeugt, die für den Betriebs zustand der Brennkraftmaschine repräsentativ sind, wie etwa der Durchsatz der angesaugten Luft, der öffnungsgrad der Drosselklappe 15, die Maschinendrehzahl, die Maschinentemperatur, die angezeigt werden kann durch die Temperatur des Kühlwassers, des Schmieröls, des Zylinderblocks oder des Auspuffgases, und der Ansaugunterdruck.
Wie in Figur 13 gezeigt ist, umfaßt die Steuerschaltung 192 eine Abweichungs-Abtastschaltung 24, die das Signal D gemäß Figur 3 b entsprechend dem Ausgangssignal E des Sauerstoffsensors 18 erzeugt, und eine Steuersignalschaltung 26, die das Steuersignal C gemäß Figur 3 c erzeugt.
Figur 14 ist ein Blockdiagramm eines Beispiels der arithmetischen Operationsschaltung 194. Ein Maschinendrehzahl-Sensor 196 des EFI-Systems erzeugt ein Impulssignal R pro UmlrellllncJ de!r Kurbelwelle. Dic Dauer des Impulses li ist nicht konstant, sondern sie steht in bestimmtem Verhältnis zu dem Kehrwert der Drehzahl N der Kurbelwelle. Beispielsweise zeigt die obere Darstellung in Figur 15 den Fall, bei dem die Dauer des Impulses R 3 x 1 betrags. Eine Konstantstrom-Ladungs-3 N schaltung 200 der Operationsschaltung 194 ninmt dieses Impulssignal R auf und lädt einen Kondensator 202 mit einem konstanten Strom bei Aufnahme der Impulse R. Folglich bildet sich eine Spannung V1 an dem Kondensator 202, deren Größe proportional 1.
zu dem Wert Ñ ist. Ein Ansaugluftsensor 198 des EFI-Systems er-N zeugt eine Ausgangsspannung VQ, deren Größe beispielsweise proportional zu dem Kehrwert der Luftmenge Q ist, die der Brennkraftmaschine 1o pro Zeiteinheit zugeführt wird. Diese Ausgangsspannung VQ gelangt an eine spannungsregulierende Konstantstrom-Entladungsschaltung 204 der Operatlonsschaltung 194, die eine Entladung des Kondensators 202 bewirkt, wenn die Impulse R nicht mehr auftreten. In diesem Falle ist der Entladungsstrom der Entladungsschaltung 204 proportional zu der Ausgangsspannung VQ des Ansaugluftsensors 198.
Das Impulssignal R gelangt ebenfalls an die Einstellklemme S einer Flip-Flop-Schaltung 206, so daß die Flip-Flop-Schaltung 206 eine Spannung V erzeugt, wenn die Impulse R jeweils ausfallen. Diese p Ausgangsspannung V dient als Grundsignal, das die Einspritzvorp richtung 190 in Betrieb hält. Die Spannung V1 an dem Kondensator 202 gelangt an eine Vergleichsschaltung 208, die eine nicht gezeigte Schaltung zur Erzeugung eines Vergleichssignals aufweist und ein Ausgangssignal erzeugt, wenn die Spannung V1 unter dieser Vergleichs spannung liegt. Das Ausgangssignal der Vergleichsschaltung 208 wird an die Rückstellklemme der Flip-Flop-Schaltung 206 abgegeben, so daß das Spannungssignal Vp ausfallen kann. Die Spannung V1 an dem Kondensator 202 ist proportional zu und sie weist eine Wellenform auf, wie die mittlere Darstellung in Figur 15 zeigt. Das Spannungssignal Vp hat die Form eines Impu1 signals gemäß der unteren Darstellung in Figur 15. Die Dauer des Impulses Vp ist proportional zu Q/N.
Eine Konstantstromschaltung 21O nimmt das Impulssignal V auf p und erzeugt ein Stromsignal entsprechend einem Signal, das von einer Stromregelschaltung 212 zugeführt wird, während sie jeweils die Impulse Vp aufnimmt. Das Steuersignal C, das durch die Steuersignalschaltung 26 erzeugt wird, gelangt an die Stromregelschaltung 212. Weiterhin gelangen eines oder mehrere Signale F, die jeweils einen bestimmten Faktor in Bezug auf den Betriebszustand der Maschine lo, beispielsweise die Maschinentemperatur und/oder den öffnungsgrad der Drosselklappe 15 repräsentieren, an die Stromregelschaltung 212. Das Ausgangssignal der Stromregelschaltung 212 ändert sich entsprechend diesen Eingangssignalen. Eine Integrationsschaltung 214 nimmt das Ausgangssignal der Konstantstromschaltung 21O auf und integriert das aufgenommene Signal. Während das Impulssignal V und damit das Ausgangssignal der Konstantstromschaltung p 21O fehlen, entlädt die Integrationsschaltung 214 das integrierte Signal an eine Impulserzeugerschaltung 216.Wenn das Ausgangssignal der Integrationsschaltung 214 größer als ein vorgegebener Wert ist, erzeugt die Impulserzeugerschaltung 216 ein Impulssignal, das die Einspritzvorrichtung 19O in Betrieb hält.
Wie zuvor angegeben wurde, ermöglicht es ein derartiges EFI-System, den Überschußfaktor & des brennbaren Gemisches innerhalb des Bereiches von o,97 - 1,o5 zu halten, wenn der vorgegebene Wert von ß 1,o beträgt. Die Arbeitsweise des EFI-Systems ist widergegeben durch die Häufigkeitsverteilungskurve A' in Figur 16, die denselben Bedingungen wie im Falle der Häufigkeitsverteilungskurven der Figur 11 entspricht. Eine einzige Spitze der Kurve A' erscheint exakt an dem vorgegebenen Wert von t von 1,o und entspricht einer Häufigkeit von etwa 38 %. Die Häufigkeitsverteilung der Kurve B' der Figur 16 repräsentiert die Arbeitsweise eines herkömmlichen Vergasers, der möglichst genau eingestellt ist, jedoch kein ECC-System aufweist.
Figur 17 zeigt denselben Sachverhalt wie Figur 5 in Bezug auf <Ii.c' Maschine A, die mit dem LIl-System und einem Katalysator A ausgerüstet ist. In diesem Fall ist es notwendig, wenigstens 1,6 1 des Katalysators A zur Umwandlung von NOx, HC und CO zu wenigstens 80 % zu verwenden.
Figur 18 veranschaulicht denselben Sachverhalt in Bezug auf eine Kombination der Maschine B und des Katalysators A. In diesem Fall sind mehr als 3 1 des Katalysators A erforderlich.
Die Versuche wurden ergänzt durch die Verwendung eines Katalysators B mit o,14 Gew.-% Platin, o,o29 Gew.-% Rhodium und im übrigen dem oben beschriebenen Aluminiumoxid-Träger. Figur 19 zeigt das Er-Ergebnis für die Maschine A und Figur 20 bezieht sich auf die Maschine B. Im Fall des Katalysators D für die Maschine B kann die angestrebte Umwandlungsrate für NOx, HC und CO von 80 % durch Verwendung von 3 1 des Katalysators erreicht werden.
Figur 21 zeigt die Beziehung zwischen dem Hubraum der Maschine und dem notwendigen Volumen eines Dreiwege-Katalysators, wie sie sich in einer Reihe von Experimenten ergeben hat, die zuvor mit Bezug auf Figur 9 erläutert wurden, ausgenommen, daß das ECC-System durch das EFI-System ersetzt ist. Gemäß Figur 21 beziehen sich die schwarzen Kreise und die weißen Quadrate auf die Katalysatoren A und C, wie es in Figur 9 der Fall ist, und die schwarzen Quadrate repräsentieren den Katalysator D. Wie in dem Diagramm gezeigt ist, sollte ein Dreiwege-Katalysator im Allgemeinen in einem Volumen verwendet werden, das 80 - 150 % des Hubraums der Brennkraftmaschine entspricht, und zwar auch dann, wenn die Maschine mit dem EFI-System ausgerüstet ist.
Figur 22 entspricht Figur 1o in Bezug auf die Maschine B mit einem EFI-System. Auch in diesem Fall muß der Rhodium-Gehalt des Dreiwege-Katalysators wenigstens o,oo4 Gew.-% betragen. Es ist jedoch ohne Bedeutung, wenn der Rhodium-Gehalt über o,29 Gew. -% erhöht wird, da sich in diesem Fall keine wesentliche Erhöhung d# tnwandlungsrate für NOx ergibt. Der Platin-Gehalt muß wenigstens o,o7 Gew.-% betragen und wird vorzugsweise auf o,14 Gew.-% als Maximalwert begrenzt.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Verfahren zum gleichzeitigen Entfernen von Stickoxiden, Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid aus Auspuffgasen einer Brennkraftmaschine, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß man den Überschußluftfaktor eines der Brennkraftmaschine zugeführten Gemisches aus Luft und einem Kohlenwasserstoffbrennstoff im Bereich von 0, 95 - 1,lo hält und daß man das Auspuffgas bei Temperaturen zwischen 250 und 850 ° C mit einem Katalysator in Kontaktbehandlung bringt, der im wesentlichen aus o,o7 - o,14 Gew.-% Platin, o,oo4 - o,o35 Gew.-% Rhodium und im übrigen aus einem körnigen, hitzebeständigen Trägermaterial aus der Gruppe Aluminiumoxid, Siliciumoxid und Aluminiumsilikat besteht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t,daß man den Uberschußluftfaktor derart steuert, daß er eine periodische Änderung um den Wert 1,o herum im Bereich von o,95 - 1,lo erfährt, sofern er nicht konstant bei 1,o liegt, und daß man die Zeit des Halbzyklus der Änderung des Überschußluftfaktors, während der dieser entweder oberhalb oder unterhalb 1,o liegt, im Bereich von o,2 - o,5 sec. wählt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß das Gesamtvolumen des Katalysators im Bereich von 80 - 150 e des Hubraums der Brennkraftmaschine liegt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, d a d u r c-h g e k e n n -z e i c h n e t , daß das Trägermaterial aus Aluminiumoxid besteht und eine mittlere Teilchengröße im Bereich von 1,5 - 3,5 mm aufweist.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß man die Konzentration eines Bestandteiles des Auspuffgases mißt, die eine Abhängigkeit von dem Überschußluftfaktor des durch die Maschine verbrauchten Gemisches aus Luft und Kohlenwasserstoffbrennstoff aufweist, daß man ein elektrisches Steuersignal entsprechend der gemessenen Konzentration erzeugt und daß man dieses Steuersignal als Rückkopplungssignal bei der Steuerung des Uberschußluftfaktors verwendet.
6. Verfahren nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß der Überschußluftfaktor geregelt wird durch Steuerung wenigstens eines der Ströme der Luft durch eine Luftdüse eines Vergasers oder des Brennstoffs durch einen Brennstoffkanal des Vergasers unter Verwendung wenigstens eines elektromagnetischen Ventils, dessen Arbeitsweise dem elektrischen Steuersignal entspricht.
7. Verfahren nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Zeit des Halbzyklus im Bereich von 0,3 - o,5 sec. liegt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 - 7 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der bberschußluftfaktor regelt wird durch Steuerung des Durchsatzes einer Einspritzvorrichtung, entsprechend dem Steuersignal, die Brennstoff zu Luft hinzugibt, die durch ein Ansaugrohr der Maschine angesaugt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß der Überschußluftfaktor im Bereich von 0,97 - 1,05 gehalten wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß der Katalysator im wesentlichen aus o,o7 - o,14 Gew.-% Platin, o,oo4 - o,o29 Gew,-% Rhodium und im übrigen aus Aluminiumoxid besteht.
11. Verfahren nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß der abgetastete Auspuffgas-Bestandteil Sauerstoff ist.
12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Brennkraftmaschine, einer elektrisch steuerbaren Vorrichtung zur Dosierung und Einstellung eines Gemisches aus Luft und Kohlenwasserstoffbrennstoff für die Maschine und einem katalytischen Konverter in der Auspuffleitung der Maschine, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß der katalytische Konverter einen Katalysator enthält, der im wesentlichen aus o,o7 - o,14 Gew.-% Platin, o,oo4 - o,o35 Gew.-% Rhodium und im übrigen aus einem körnigen, hitzebeständigen Trägermaterial aus der Gruppe Aluminiumoxid, Siliciumoxid und Aluminiumsilikat besteht und gleichzeitig die Reduktion von Stickoxiden und die Oxidation von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid bei Temperaturen zwischen 250 und 850 ° C katalysiert, und durch ein Rückkopplungssystem zur Steuerung der Arbeitsweise der Einrichtung zur Dosierung des Luft-Brennstoff-Gemisches in der Art, daß der Überschußluftfaktor des Gemisches im Bereich von o,95 - I,io gehalten wird, welches Rückkopplungssystem einen Abgassensor (18) in der Auspuffleitung stromaufwärts des katalytischen Konverters (16) zur Erzeugung eines elektrischen Signals entsprechend der Konzentration eines Bestandteiles des Auspuffgases, welche Konzentration von dem Oberschußluftfaktor abhängt, und eine elektronische Steuerschaltung (20) umfaßt, die ein Steuersignal zur Regelung der Dosierungseinrichtung entsprechend diesem Signal erzeugt.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Einrichtung (12, 190) zur Dosierung von Luft von Brennstoff und die Steuerschaltung (20, 192) so eingestellt sind, daß der über schußluftfaktor eine periodische Änderung um 1,o herum im Bereich von o,95 - 1,10 erfährt, sofern er nicht bei 1,o verbleibt, und daß die Periode eines Halbzyklus der Änderung, während der der überschußluftfaktor entweder oberhalb oder unterhalb 1,o verbleibt, im Bereich von o,2 - o,5 sec. liegt.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß das Gesamtvolumen des Katalysators im Bereich von 80 bis 150 % des Hubraums der Brennkraftmaschine (lo) liegt.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Dosiereinrichtung für Luft und Brennstoff ein Vergaser (12) ist, und daß die Rückkopplungssteuerung wenigstens ein elektromagnetisches Ventil (22) umfaßt, das derart angeordnet ist, daß es wenigstens einen der Ströme der Luft durch eine Luftdüse des Vergasers oder des Brennstoffs durch einen Brennstoffkanal des Vergasers entsprechend dem Steuersignal steuert.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die elektrische Steuerschaltung (20) eine Abweichungs-Abtastschaltung (24) zum Abtasten der Abweichung der Amplitude des elektrischen Signals des Auspuffgassensors (18) gegenüber einer vorgegebenen Amplitude und zur Erzeugung eines ersten Impulssignals mit veränderlicher Frequenz und veränderlicher Impulsdauer entsprechend der Periode jedes Zyklus der periodischen Abweichung des elektrischen Signals von der vorbestimmten Amplitude, eine Steuersignalschaltung (26) zur Erzeugung eines primären Steuersignals durch Integration und/oder Multiplikation des ersten Impulssignals, eine Oszillationsschaltung (30) zur kontinuierlichen Erzeugung eines oszillierenden Signals und eine Modulationsschaltung (28) zum Modulieren des Oszillationssignals zu einem sekundären Impulssignal mit veränderlicher Impulsdauer entsprechend dem primären Steuersignal umfaßt, wobei das sekundäre Impulssignal als Steuersignal zur Steuerung der Arbeitsweise des elektromagnetischen Ventils (22) dient.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Auspuffgassensor ein Sauerstoffsensor (18) in Konzentrationszellen-Bauweise ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 16, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Periode des halben Zyklus im Bereich von o,3 - o,5 sec. liegt.
19. Vorrichtung nach Anspruch 14, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Dosiereinrichtung für Luft und Brennstoff eine Einspritzvorrichtung (190) ist, die Brennstoff in Luft einspritzt, die in das Ansaugrohr der Maschine eintritt.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Rückkopplungssteuerung einen Ansaugluftsensor (198) zur Erzeugung eines zweiten elektrischen Signals entsprechend dem Kehrwert der der Maschine pro Zeiteinheit zugeführten Luftmenge und einen Maschinendrehzahlsensor (196) zur Erzeugung eines dritten elektrischen Signals entsprechend dem Kehrwert der Drehzahl der Maschine umfaßt, und daß die elektronische Steuerschaltung (192) derart ausgebildet ist, daß ihr Steuersignal ebenfalls diesem zweiten und dritten elektrischen Signal entspricht.
21. Vorrichtung nach Anspruch 20, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die elektronische Steuerschaltung (192) eine Abweichungs-Abtastschaltung (24) zum Abtasten der Abweichung der Amplitude des elektrischen Signals des Auspuffgassensors von einem vorbestimmten Amplitudenwert und zur Erzeugung eines ersten Impulssignals mit veränderlicher Frequenz und veränderlicher Impulsdauer entsprechend der Periode jedes Zyklus einer periodischen Abweichung des elektrischen Signals von der vorgegebenen Amplitude, eine Steuersignalschaltung (26) zur Erzeugung eines primären Steuersignals durch Integration und/oder Multiplikation des ersten Impulssignals, eine Ladungs- und Entladungsschaltung (200, 204) mit einem Kondensator (202), der intermittierend mit einer Spannung geladen wird, die proportional zur Amplitude des dritten elektrischen Signals ist, und intermittierend einen Strom abgibt, der proportional zu der Amplitude des zweiten elektrischen Signals ist, eine Flip-Flop-Schaltung (206) zur Erzeugung eines vierten Spannungssignals bei Triggerung durch das dritte elektrische Signal, eine Vergleichsschaltung (208) zur Erzeugung eines Signals zur Rückstellung der Flip-Flop-Schaltung (206) zur Unterbrechung der Erzeugung des vierten Spannungssignals, wenn die Spannung an dem Kondensator (202) unterhalb-einer Vergleichsspannung liegt, so daß das vierte Spannungssignal die Form eines Impulssignals mit variabler Impulsdauer proportional zu der Amplitude des dritten elektrischen Signals und umgekehrt proportional zu der Amplitude des zweiten elektrischen Signals einnimmt, und eine Impulserzeugerschaltung (216) umfaßt, die ein weiteres Impulssignal entsprechend dem vierten Spannungssignal und entsprechend dem primären Steuersignal erzeugt, welches weitere Impulssignale als Steuersignal zur Steuerung der Arbeitsweise der Einspritzvorrichtung (190) dient.
22. Vorrichtung nach Anspruch 21, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Impulserzeugerschaltung (216) so aufgebaut ist, daß das andere Impuissignal ebenfalls entsprechend einem fünften elektrischen Signal veränderbar ist, das dem öffnungsgrad einer Drosselklappe in dem Ansaugrohr entspricht, und entsprechend einem sechsten elektrischen Signal, das auf die Temperatur der Brennkraftmaschine zurückgeht.
23. Vorrichtung nach Anspruch 21, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Auspuffgassensor einen Sauerstoffsensor in Konzentrationszellen-Bauweise ist.
24. Vorrichtung nach Anspruch 21, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Katalysator im wesentlichen aus o,o7 - o,14 Gew.-% Platin, o,oo4 - o,o29 Gew.-% Rhodium und im übrigen aus einem Trägermaterial aus Aluminiumoxid besteht.